用于产生新型深紫外光源的全固态紫外激光技术研究

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深紫外(指波长短于200 nm的波段)激光在材料科学、物理学、化学、医学、生物等领域具有重大的应用价值。深紫外全固态激光器(DUV-DPL)是基于性能优秀的紫外(UV)激光注入KBBF棱镜耦合器件(KBBF-PCD)技术来产生二次谐波(SHG)的新型DUV相干光源,是目前唯一能同时满足实用化、精密化的DUV激光器。由于其重大优势,为各大学科提供了一种发展新型科研装备的新技术。随着应用领域的扩展,各类前沿科学装备继续更高性能的新型DUV-DPL,如更高功率、更窄线宽、更短波长。本论文针对新型DUV-DPL需求,开展了高功率、窄线宽355 nm UV激光源和更短波长DUV-DPL所需335 nm UV激光源的研究,并采用合作单位提供的优质KBBF-PCT器件,最终获得了更高功率、更窄线宽和更短波长DUV激光输出,取得的创新性成果主要如下:  1.研制成功高功率、窄线宽355 nm UV激光源。(1)研制成功高功率、窄线宽调Q ns1064 nm Nd∶YAG激光器。采用三镜环形腔、偏振输出结构和特殊设计的F-P标准具等技术,获得窄线宽高功率振荡器激光输出,平均功率达35.1 W,线宽9.4 pm,脉宽60 ns,光束质量因子M2~1.46。采用高效放大技术,经一级双头放大后,功率达122W,M2~1.61。(2)首次理论研究脉冲泵浦条件下调Q激光脉冲均匀性问题,利用激光速率方程理论解释了一个泵浦宏脉冲(macropulse)内的两个激光微脉冲(micropulse)的均匀性问题,该理论对于避免光学器件因单个激光脉冲峰值过高而损坏有很好的指导意义,同时也可由此推广而使得多个微脉冲获得均匀,这对于激光稳定运转也有很好的借鉴意义。(3)首次量化计算窄线宽激光产生条件对线宽的影响,基于多模激光速率方程理论并综合考虑纵模模式竞争和增益饱和效应,采用四阶Runge-Kutta数值解法,求解得到基频振荡器输出激光的各个纵模模式的光子数密度随时间的演化特性,以及输出激光的线宽和脉宽特性,理论计算与实验符合得很好。(4)采用上述高性能1064nm激光作为基频源,研制成功平均功率37W、线宽2.4pm、脉宽32ns、M2~1.24的高功率窄线宽355nmUV光源,为同类激光器国际最高功率。(5)与他人合作,基于该UV光源和KBBF-PCD技术,当注入的UV光功率为5.2W时,获得平均功率146.5 mW、窄线宽~0.71 pm的高性能177.3nm的DUV激光源,倍频效率达2.8%,其输出功率及倍频效率为同类激光器中的国际最高水平。  2.研制成功更短波长DUV所需335.5nmUV激光源。(1)研制成功高功率ps1342nmNd∶YVO4激光器。采用880 nm直接泵浦、双端泵浦结构、晶体双端键合等技术,有效减小热效应,获得平均功率7.6W、重复频率77MHz、脉宽24.2ps、M2~1.49的1342nmSESAM被动锁模激光源,其平均功率为同类激光器最高。经两级放大后,平均功率达18.8W。(2)采用上述高性能1342nm激光作为基频源,研制成功高功率ps335nm激光器,通过两级级联倍频技术,获得最高平均功率输出为950mW的335.6nmUV激光器,M2~1.56,脉宽20. ps,重频77MHz,其功率为同类激光器中最高。(3)与他人合作,基于该UV光源和KBBF-PCD技术,获得了平均功率达65μW的更短波长167nmDUV激光源,为目前通过级联倍频方法获得的可满足光电子能谱仪应用需求的最短波长输出。  3.343nmUV激光器研制。研制成功常温运转ps1030nmYb∶YAG激光功率放大器,采用两级三程、双端泵浦放大方案,将7W1030nm种子激光放大至121W基频激光功率输出,并获得58W绿光515nm倍频激光输出。
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