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）。

0 1、 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。

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。

0 2、 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。

0 3、 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。

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。

表1：显示了泵浦功率、放大功率和放大器各级的增益

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。

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%。

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：

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。

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。