紫外激光器研究进展及其关键技术

紫外激光器研究进展及其关键技术

紫外激光器研究进展及其关键技术

黄川 2120160620

摘要：本文详细介绍了利用LD泵浦的紫外激光器产生紫外激光的非线性原理，

并在此基础上介绍了在全固态紫外激光器中用到的倍频晶体的种类和各自的应用场景；介绍了近年来高功率固体紫外激光器研制的国内外进展情况，最后展望了高功率全固体紫外激光器研制的未来。

关键词：紫外激光；非线性光学；相位匹配

1、引言

因为紫外激光具有的短波长和高光子的能量特点，所以紫外激光在工业领域内具有非常广泛的应用。在工业微加工领域内，相较于红外激光的热熔过程，紫外激光加工时的“冷蚀效应”可以使加工的尺寸更小，达到提高加工精度的目的。另外，紫外激光器在生物技术，医疗设备加工，大气探测等领域也有广泛的应用。

一般而言，可以将紫外激光器划分为三类：固体紫外激光器，气体紫外激光器，半导体紫外激光器。其中固体紫外激光器应用最为广泛的是激光二极管泵浦全固态激光器。而利用激光二极管抽运的固体UV激光器相较于其他类型的紫外激光器而言，具有效率高，性能可靠，硬件结构简单的特点，因此应用最为广泛，基于LD抽运的全固态UV激光器也得到了迅猛的发展。

在实际的应用当中，实现紫外连续激光输出的方法一般是利用晶体材料的非线性效应实现变频的方法来产生。产生全固态紫外激光的方法一般有两种：一是直接对全固体激光器进行3倍频或4倍频来得到紫外激光；另一种方法是先利用倍频技术得到二次谐波，然后再利用和频技术得到紫外激光。相较于前一种方法，后者利用的是二次非线性极化率，其转换效率要高很多。最常见的是通过三倍频和四倍频技术产生355nm和266nm的紫外激光。下文将简单介绍紫外激光产生的非线性原理。

2、非线性频率转换原理 2.1 介质的非线性极化

激光作用在非线性介质上会引起介质的非线性极化，这是激光频率变换的非

线性基础。在单色的电磁波作用下，介质的内部原子，离子等不会发生本征能级的跃迁，但是这些离子的电荷分布以及运动状态都会发生一些变化，引起光

感应的电偶极矩，这个电偶极矩作为新的辐射源辐射电磁波。

一般来说，我们用介质的电极化矢量P描述介质的极化，在入射光较弱的情况下，P与入射光场E成线性关系：

（2-1）

其中，E为电场强度，χ(1)为线性极化系数，ε0为真空中的介电常数。 如果入射光强很大时，电极化矢量P与电场强度E不再成简单的线性关系，而是呈现出一种非线性关系：

（2-2）

上式中，χ(2)，χ(3)分别为为二阶非线性极化率和三级非线性极化率。非线性极化项的引入会导致广播的频率发生改变。在这里假设有两书入射光，光波方程如下所示：

从上式可以看出，上述的频率成分中包括倍频，和频，差频等。因此当不同由于电场强度具有二次项，因此会引入很多新的频率成分。

当两束光入射到介质上，会引起介质的非线性极化，产生的极化强度为：

频率的两束光波入射到非线性介质上时，极化产生的光波中不仅包括基频光，还存在倍频，和频以及差频的成分。下面简述了光倍频和和频，差频的原理。

2.2 非线性晶体选择