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奥创光子深紫外超快激光器取得新进展

发布时间:2023-03-14 来源:奥创光子

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高光子能量的大功率深紫外(DUV)短脉冲激光器应用广泛,如高强度伽马射线产生、材料加工、半导体检测等。DUV固体激光器采用固体激光和变频技术,可以实现高光束质量,便于通过透镜聚焦到小光斑尺寸。此外,DUV固态激光器比传统的准分子激光器更容易操控,消耗的电能更少(准分子激光目前用于工业应用,如精密和高质量激光加工)。

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高功率DUV固态激光器发展历程

上世纪八九十年代,随着硼酸盐基非线性光学晶体的发展,波长在300 nm以下的高功率DUV固态激光器得到了发展。而后,随着高功率近红外激光器的发展,四次谐波光源的研制也得到了推进。关于四次谐波的平均输出功率,自2000年以来,多横模高功率纳秒脉冲激光器作为基波的DUV平均输出功率为12 ~ 40 W。自2009年以来,单横模高功率纳秒脉冲激光器作为基波的DUV平均输出功率为10 ~ 15W。

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最近,以单横模高功率皮秒脉冲激光器为基波的DUV平均输出功率为12 ~ 20 W。据报道,2020年,使用由皮秒脉冲振荡器和Yb:YAG innoslab放大器和BBO晶体组成的基波,在258 nm处得到的平均输出功率为20 W,重复率为1 kHz。2021年,据报道,使用由皮秒脉冲振荡器和Yb:YAG碟片放大器组成的基波,在258nm处得到的平均输出功率为20 W。

除了高平均功率外,稳定的长期DUV输出对工业应用至关重要。2002年,据报道,在20w的功率下连续产生DUV 100小时,然而,功率退化很明显,20w的功率仅维持了50小时。其他研究也显示了类似的功率退化,实现高功率DUV固体激光器的长期稳定运行仍然是一个关键问题。

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如何满足DUV激光的稳定运行

为了解决这一问题,必须解决产生DUV光的非线性光学晶体的激光诱导损伤(LID),以满足DUV激光的长周期稳定运行。在BBO的DUV光产生中,相位匹配条件(光谱、角度和温度)的三种接受带宽都很窄,常规脉冲激光器无法同时满足所有条件,因此,高效变频,长期运行中的功率退化问题是不可避免的。

2013年相关DUV报道,使用增益开关LD和线宽0.1 nm、峰值功率2.1 MW的混合放大器的基波输出。高峰值功率皮秒脉冲与大口径长BBO晶体的组合满足了DUV生成的光谱和角度接受带宽,同时避免了时间和空间走离引起的转换效率波动。从532 nm到266 nm的转换效率超过50%。BBO晶体特性很好地解决了由线性吸收和双光子吸收引起的温升,并通过满足热接受带宽保持较高的转换效率。此外,光束发散低于BBO的角接受带宽,这种基础激光源使DUV激光器具有高功率和长期稳定运行。

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奥创光子的研究进展

此前奥创光子曾开发了一款脉冲为10 ps,平均功率为50 W,线宽为0.5 nm,峰值功率为25 MW,重复频率为200 KHz的基波激光器。DUV的平均功率为14 W,脉冲持续时间为7ps,使用BBO晶体,在200 KHz的重复频率下,从532 nm到266nm转换效率为50%。此外,在平均功率为10 W的情况下持续5000小时,在266 nm处的长期DUV运转,在运行期间没有功率或光束轮廓退化。

获得的最大DUV功率受到可用基波功率的限制,工业应用需要更高功率的DUV激光器,通过将基波功率提高到平均140 W,线宽0.4 nm,峰值功率23.3 MW,使用BBO晶体,在1000 kHz重复频率下,DUV的最大平均功率可以达到28 W,从532 nm产生266 nm的转换效率约为30%左右,实现平均功率为20w和光束质量因子(M2)小于1.3下预计可以保持10000小时。

图1显示了激光源的设置,该激光源由种子激光部分和功率放大器部分组成。种子激光器由种子源、PULSEPICKER和两级光纤前置放大器组成,功率放大器由四级固体放大器和声光调制器(AOM)组成。

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图1

种子激光部分采用被动锁模光纤激光种子源,结合锁模器件的特性和设计优化,保证匹配固体放大所需的基频信号光特性。

固体放大器用于功率放大级的放大器有1到4级。放大晶体为钕掺杂钒酸钇(Nd:YVO4)晶体。为了防止寄生振荡,增加了1°的楔形角,并将AR涂层在1064 nm处的反射率设置为小于0.1%。Nd:YVO4晶体的四面被铟箔包裹,并固定到水冷散热器上。使用波长为880 nm的锁波长LD作为泵浦源,该泵浦源是带内泵浦源,在晶体中热效应较小。泵浦源通过400 μ m芯径渐变折射率光纤传输,并通过准直透镜和聚焦透镜模块入射到Nd:YVO4晶体中。

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表1:显示了泵浦功率、放大功率和放大器各级的增益

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图2:功率放大器的平均功率特性

奥创光子分别使用光谱分析仪的光纤测量了种子激光部分的光谱,使用自由空间波长计测量了功率放大器的光谱。结果如图3所示。

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图3

为了由1064nm 产生266 nm的DUV光,使用两个非线性光学晶体来产生二次和四次谐波。对于二次谐波(SHG),采用元件尺寸为4 mm × 4mm, 临界相位匹配(LBO)晶体和两端分别为1064 nm和532 nm的AR涂层作为非线性光学晶体。LBO晶体放置在带有内置加热器的铜支架中,支架温度设置为60°C。直径为φ2 mm的1064 nm入射波束产生532 nm波束。

四次谐波采用BBO晶体作为非线性光学晶体,该晶体尺寸为4 mm × 4 mm,临界相位匹配。仅在输入端涂上AR532&266-nm涂层,并在两端涂上1.5°楔形。为避免激光回射,输出端涂AR@266nm&532nm涂层。晶体被放置在一个干燥室中,以防止BBO晶体的潮解。

平均功率为125 W光束直径为φ2.0 mm的1064 nm激光射入的LBO晶体,在532 nm处的平均功率为88.9 W,转换效率为71.9%。测量线宽和脉冲持续时间,分别为0.042 nm和11 ps,峰值功率为13.6 MW,光束质量因子M2 = 1.2。平均功率为87.9 W直径为φ1.6mm的532 nm激光射BBO晶体,在266 nm处的平均功率为25.4 W,转换效率为28.9%。

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光束质量因子M2 = 1.5。光束直径和圆度分别为φ2.2mm和95%,由于光线的高度准直,在266nm生成后,无需任何光束整形光学即可获得满意的光束特性。注意:光束直径是用光束轮廓仪(Ophir)在距离出光口1000mm处测量。DUV的短时间稳定性测试曲线如图4所示: 

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图4:DUV的短时间稳定性测试曲线

奥创光子自2018年创立以来,公司已申请60余项专利,已掌握了高能高功率飞秒脉冲放大技术、啁啾体布拉格光栅色散补偿技术、波长转换等关键核心技术,结合自主设计制造的超快种子源、温度调谐式啁啾光   纤光栅等核心器件已成功推出系列化飞秒激光器产品,并在国内率先实现工业领域批量出货,打破了该领域被国外产品长期垄断的局面。

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目前奥创光子不断迎合当前市场对于航天航空,新能源锂电,电子消费等高端精密行业的发展节奏壮大自身,不断为先进制造产业转型升级夯实基础,促进发展。






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