深紫外飞秒激光器赋能高精度微加工行业

短波长（<300nm）、短脉宽（<1ps）激光在与物质作用过程中，以其很小的热影响作用特性，成为精密激光加工、极端科学研究的先进工具，例如在有机材料冷剥蚀、超快光谱学研究、极紫外光源产生、光参量放大器泵浦等领域有着广泛的用途。

不同于常见的355nm皮秒、纳秒紫外激光器，从1030nm红外激光的四次谐波转换而来的257nm深紫外飞秒激光，具备更高的空间分辨率和时间分辨率潜质，能够推动物质结构深层次研究和特种微纳材料制造，但其产生过程存在着谐波转换效率低、非线性晶体和镀膜易损伤等难题，一定程度制约了这种深紫外激光功率的提升和推广应用。

奥创光子在前一代10W平均功率257nm波长飞秒激光器的产品基础之上，通过一系列技术手段，将平均功率提升到了15W，并且显著改善了激光光束质量，为高精度绝热激光微加工升级了光源。

基频光光源来自奥创型号为OR-200-IR的激光器，中心波长1030nm，输出功率≥200W，重频800KHz，单脉冲能量≥250μJ，脉宽约600fs，可用激光器内置的AOM控制入射到谐波发生器的基频光功率。考虑到峰值功率较高，为了避免晶体损伤并增加后续光学元件的使用寿命，用扩束系统将红外光斑直径扩大至3mm(1/e^2)。SHG晶体选用尺寸为12×12×5mm3的LBO非线性晶体，通光面为12×12mm2，足够接收扩束后的基频光束，并镀1030nm和515nm的增透膜；该LBO晶体切割角θ=90°，φ=0°，为非临界相位匹配，通过严格控温约195℃来满足相位匹配条件。选择LBO的原因是在众多SHG晶体中其具有最高的损伤阈值，非临界相位匹配避免了空间走离现象，非线性转换效率通常更高，适用于飞秒激光的谐波转换。

图1. 基频红外光源的基本指标测量（光谱，脉宽，功率稳定性）

在上述的光路布局下，照射到LBO晶体的最大基频光峰值功率密度达6GW/c㎡，有效产生了谐波转换。经过多次微调LBO加热炉的温控来优化倍频效率，在最大注入基频光时，二倍频光经过两片515nmHR/1030nmAR镀膜的双色镜，从残余的基频光中分离出来后进入后续的高次谐波发生系统，最高绿光功率达到85.10W。测量得到的绿光光束质量和光斑形貌见图2，显然二次谐波过程并未对二倍频光束造成空间分布的影响，这就保障了后续四倍频具有良好的注入光光束质量，利于提升四倍频效率并减小光束质量的劣化。

图2. 二倍频绿光光束质量及光斑测量

在工程实践中，我们的二倍频模块对倍频效率和中低功率的相位匹配条件做了保留，重点关注高功率注入下的绿光性能，这也符合后面四倍频模块有效谐波转换的要求。处于系统稳定性的考虑，对二倍频激光功率稳定性做了长时间的监测，从实测数据看，其功率稳定性优于0.22%，8小时连续测量功率平均值84.6W（图3）。

图3. 二倍频激光功率稳定性测量

在四次谐波发生（FHG）模块中，除了兼顾谐波转换的相位匹配条件，工程化方面重点解决四倍频晶体的有效散热，缓解倍频晶体内部的热透镜效应。FHG晶体选用尺寸为10x10x0.4mm³的BBO，10×10m㎡的两通光面镀515nm和257nm的增透膜，切割角θ=50°，φ=0°，为一类相位匹配，无需加热，控制在常温300K即可。选择BBO的原因是在众多FHG晶体中CLBO和BBO具有更高的转换效率，尽管CLBO比BBO有更大的可接受带宽和更小的空间走离，但其易潮解，不是工程应用领域的最佳选项。

考虑到高峰值功率的深紫外激光在倍频晶体中存在双光子吸收(TPA)和自相位调制等非线性效应，因而限制了晶体长度，对于飞秒脉冲宜使用<1mm厚度的BBO晶体。如此薄的倍频晶体在高功率基频光输入和有效的深紫外激光转换下，晶体的线性和非线性吸收依然会引起晶体内部升温，造成的热透镜效应直接影响深紫外激光光束质量。

为了有效散热，我们在对BBO晶体的工程化封装中采取了夹层设计，使BBO晶体紧密贴在同样薄片状的两片钛宝石玻璃之间；钛宝石玻璃的热导率比BBO晶体高近乎两个数量级，能够有效传导散热，给BBO晶体降温。BBO前放置一半波片(λ/2@515nm)用来调整绿光的偏振态，BBO及钛宝石玻璃夹层结构放置于一个可以精细调节倾角的装置中，最后用两片257nmHR/515nmAR镀膜的双色镜将257nm的深紫外激光导出（图4）。

图4. 四倍频光路图

对于由绿光倍频产生257nm的BBO晶体，走离角，深紫外波长CDG=464.7（fs²/mm）的群延迟色散，有效非线性系数deff=1.7pm/V；由于选用了0.4mm长的晶体，晶体角容差=4.5mrad，可接受温度范围=136.75k，可接受角度=9mard，可接受光谱带宽=3963.5GHz。实际调试过程中，FHG的效率会随着注入515nm激光的功率而变化，因而在逐渐增加515nm激光强度的同时，适时对BBO晶体的受光角度进行微调，直至在最大绿光注入功率下保持可接受的紫外倍频效率。产品的开发并不以追求极致的单一技术指标为重点，而是强调激光器的整体性能指标；所以在微调BBO晶体角度来优化相位匹配程度的同时，检测了深紫外激光束的远场光斑分布，选取合适的受光角度来平衡倍频效率和光束质量的要求。直接输出的深紫外激光远场光斑如（图5a），光斑圆度74%，此时倍频效率（绿光-深紫外）17.7%；而后采取了柱透镜整形的措施，将远场光斑圆度提升至87%（图5b）。测得的257nm深紫外激光平均功率14.9W，6小时功率稳定性见图6。