全固态激光器具有效率高、寿命长、体积小等优点，并且相对其他类型激光器容易得到高功率和高光束质量的激光。这使得全固态激光器开始在科研、国防、医疗、工业等领域广泛应用。它在相干光检测、先进制造业、环境监测、材料加工和处理、超高密度存储、光通信、生物检测等方面都有重要的应用，所以，全固态紫外激光器成为了国内外光学研究机构研究的重点。

国内外发展现状

国外发展现状

20世纪末紫外激光问世以来，科学家利用不同组合的增益介质、激光腔型、抽运方式对紫外激光进行了深入而广泛的研究。

例如，R.J.Keyes与T.M.Quis用激光二极管抽运增益介质CaF2:U3+，第一次得到了213 nm激光。C.Zimmermann，V.Vuletic等人，采用KN晶体（铌酸钾KNbO3晶体），得到了2.1 W的213 nm连续紫外光。M.Oka等人用BBO（偏硼酸钡）作为倍频晶体，得到1.5 W的连续激光输出。

日本东京大学的Y.K.Yap等人使用CLBO（六硼酸锂铯）晶体，重频为10 KHz，得到平均功率为10.6 W的紫外脉冲输出。2000年，日本的TETSUO KOJIMA等人在声光调Q的Nd:YAG 1064 nm激光器中利用改进后的高质量CLBO晶体获得了突破性的进展，20 W的266 nm紫外脉冲输出。

随着光学元器件加工技术的日益成熟，紫外波段不仅仅只限于355 nm，266 nm和213 nm。2006年，S.Johansson等人使用PPKTP（周期极化KTP）晶体和BBO晶体对被动调Q的准三能级946 nm激光器四倍频，并获得了20 mW的236 nm激光。2008年，Ossi Kimmelma等人报道了一种准三能级Nd:YAG主动调Q激光器，可以输出脉宽为1.9 ns，平均功率为7.6 mW的237 nm激光，到了2014年，Deyra L等人在此基础上进一步对准三能级Nd:YAG主动调Q激光器进行了优化，得到了600 mW的237 nm激光输出，这是236 nm紫外波段上波长迄今为止最高的平均功率。

国内发展现状

20世纪80年代，福建物构所研制出了BBO晶体，同时，浙江大学的尤晨华利用BBO晶体，得到216 nm深紫外激光。20世纪90年代末，LD抽运技术发展十分迅速，紫外激光技术也取得了新的发展。1999年，陈国华等人选用Nd:YVO4作为增益介质，用KTP、BBO作为倍频晶体，在国内首次得到266 nm的紫外输出。

在这之后中科院西安光机所和长春光机所 的谭成桥等人都对266 nm波段紫外激光进行了研究。2007年，中科院物理所首先做出了第一个瓦级266 nm激光器，其采用重复频率为20 kHz的声光调Q、端面抽运Nd:YV04激光器，产生1064 nm基频光，平均功率为8 W，再用KTP晶体进行腔内倍频，得到5 W的532 nm绿光，最后用CLBO晶体进行腔外倍频，产生平均功率为1.3 W、脉宽为11 ns的266 nm激光。

2009年，西北大学光电子技术研究所李修采用重频为11.2 kHz主动调Q的1064 nm Nd:YAG激光器，通过两次倍频转换，获得了功率为7.1 W的266 nm激光输出。2009年，Q.Liu等人采用了重复频率高达100 kHz被动调Q的1064 nm Nd:YAG激光器，通过两次倍频的方式得到14.8 W的266 nm激光输出，当进一步将重复频率提高到150 kHz时，得到11.5 W的266 nm激光。

激光关键技术

增益介质

从第一台红宝石激光器诞生到现在，已经研究出各种类型的增益介质，在全固态激光器中能够选择的增益介质却不多。最常用的增益介质为Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdV04，其中Nd:YAG、Nd:YV04使用频率最高。三种增益介质产生激光的原理大致相同，它们的主要区别在于材料的理化性质上。表1列出了三种增益介质的比较。

表 1三种增益介质物理特性

对于Nd:YAG晶体来说，晶体本身的发射截面较小，但它有相对较高的荧光寿命和热导率，所以对激光系统的散热技术的要求不高，适合在高功率激光器和脉冲激光器中使用。其次，它的基质YAG（钇铝石榴石Y3Al5O12）晶体机械强度高、导热性好，激光波长范围内晶体透过率高。采用提拉法就可以生长出大尺寸高质量的优质晶体。所以，Nd:YAG激光器具有效率高、性能可靠、易小型化、光束质量好和功率稳定性高等优点使得其成为目前激光二极管抽运全固态激光器首选的激光增益介质。

对于Nd:YV04来说，它具有发射截面大、吸收带宽高，输出光为偏振光等优点，但是，Nd:YVO4的缺点也有很多。首先，由于晶体本身的物理性质的局限，无法获得高质量的大尺寸晶体，并且它的机械性能、均匀性都很差，所以只能制造出小尺寸的激光棒，制约了Nd:YV04晶体在激光器中的应用。其次，由于晶体的热导率偏低，热效应明显，促使激光器对热处理能力的要求变的更加严格，一定程度上加大了实验设备研制的难度，因此，Nd:YV04晶体比较适合用于薄片激光器和小功率激光器上。

对于Nd:GdV04来说，GdV04是一种与YVO4是同种结构的基质晶体材料。Nd:GdV04和Nd:YVO4有基本相似的激光性能，其吸收峰半高全宽略宽于Nd:YAG，其吸收截面是Nd:YVO4的两倍，是Nd:YAG七倍多。Nd:GdV04受激发射截面是三种晶体中最大的，并且其热导率也很优秀，这种晶体可以实现高浓度掺杂并且很容易生长出大尺寸、高质量、光学性能均匀的优质晶体。这些优点让Nd:GdV04或许可以在未来成为全固态固体激光器的首选增益介质。特别是准三能级系统，大热导率让晶体内部温度梯度较小，热透镜不明显，晶体的绝对温度低，因此晶体内下能级粒子的再吸收损耗进一步减少。

非线性倍频晶体

在全固态紫外激光器中，非线性频率变换晶体是最重要的组成结构之一，在非线性晶体本身的理化性能基础上，通过非线性频率转换技术对激光器基频光进行四倍频或五倍频就可以获得紫外光。在紫外激光器设计中，紫外激光的输出功率的和光束质量主要依赖于非线性晶体的好坏。自从非线性晶体问世以来，经过科研人员不懈的努力，有许多优秀的紫外非线性晶体被研制出来并投入到紫外激光器的研制中，其中比较常用的有BBO、LBO、BIBO、CLBO、KBBF。

BBO(偏硼酸钡、β-BaB2O4)是由福建物构所首次研究成功，透光范围0.19-3.5 μm，有较大的相位匹配角、高损伤阈值、高倍频效率，但是会有潮解的问题，保存条件苛刻。其主要应用于四、五倍频产生紫外波段（266 nm、213 nm）；也可用于染料激光器中二、三倍频的产生；光学参量振荡和光学参量放大；氩离子的倍频等，是一种性能优良的非线性晶体。

LBO（三硼酸锂、LiB3O5）同样是由福建物构所研制，它具有相对较宽的透光波段（0.155-3.2 μm），尤其是在紫外波段，具有良好的透光性，轻微潮解，对保存环境要求不高，有较好的物理化学性质，损伤阈值高，非线性光学参数适中，接收角相对较大，走离角小，所以走离效应相对不明显。现已经广泛应用于非线性变换中的倍频、和频等效应中。由于其非线性系数和倍频效率较低，折射率对温度比较敏感，在实验中尤其需要注意温控。LBO可以适用于临界相位匹配，也可以适用于非临界相位匹配，与铌酸盐晶体相比较，LBO的激光损伤阈值高，在非临界相位匹配中波长调节宽，允许更大的温度范围；铌酸盐类晶体虽然非线性系数很大，但允许匹配的温度范围很窄，这限制了这类晶体的使用。

BIBO（三硼酸铋BiB3O6）晶体是一种对称性低的双轴非线性晶体，虽然其在1962年就已经被报道出来，但是直到1999年才开始应用于倍频效应中。BIBO晶体的透光波段为0.27-2.6 μm，由于其较宽的透光波段不仅仅用于1064 nm到532 nm的倍频中，也可以用于1064 nm与523 nm三倍频到355 nm的效应中，及非线性频率变换技术中的和频效应。BIBO物理化学特性稳定，其环境适应能力高不轻易潮解、光学损伤阈值高，并且其有效非线性系数非常大，甚至高于铌酸锂类晶体，在外腔倍频实验中效率一度高达70%，但是BIBO晶体的双折射率相差很大，这就导致相位匹配角随波长变化明显，因此不仅仅可以用于倍频、和频等效应中，也可以用于光参量领域中。

CLBO (硼酸铯锂CsLiB6010)是由日本的大阪大学首先报导合成的一种性能优良的新型紫外非线性晶体。透光波段范围在0.18-2.75 μm之间，可以实现四次谐波的产生，与常用的BBO、LBO等晶体相比，该晶体生长方式简单，可以长出大尺寸、高质量的光学晶体，虽然该晶体的物理化学性能比较优秀，但也存在易潮解的问题，对保存条件要求苛刻需要密封使用并且在150℃条件下保存。

KBBF（KBe2BO3F2）晶体是由福建物构所研制，其透光范围最宽在0.155-3.5 μm之间，经过实验验证，它可以应用在六倍频效应产生177.3 nm的深紫外激光。

紫外激光器最新研究进展

355 nm紫外激光器

虽然端泵在功率密度、光束质量等方面优势明显，但大功率端泵激光器往往需要面对很强的热效应和再吸收效应，这就阻碍了端泵激光器功率的进一步发展。而侧泵激光器由于抽运的均匀性、热效应都能得到很好的控制，更加容易实现大功率紫外激光输出。2014年长春理工大学田明等人采用图1所示结构，利用LD侧面抽运Nd:YAG腔内声光调Q结构作为基频光源，采用一块I类非临界相位匹配的LBO晶体作为倍频晶体，两块相同的LBO晶体作为和频晶体，在注入功率为939.6 W、重复频率为8 kHz时，获得15.3 W的准连续355 nm紫外激光，脉宽为90 ns，光束质量

分别为4.23和4.56。激光输出特性见下图。

图1 15.3 W 准连续355 nm激光器光路图及输出特性

236 nm紫外激光器

Loïc Deyra等人采用图2所示的激光装置，使用的基频光是一台平均输出功率为9.2 W、峰值功率为10.2 kW、重频为20 kHz、脉宽45 ns的主动调Q的Nd:YAG激光器，选取BIBO、BBO作为倍频晶体得到平均功率为600 mW、脉宽为27 ns、不稳定度在2%的236.5 nm紫外激光输出。

图2236 nm激光光路图

紫外激光器应用

紫外激光由于其短波长的特性，可以被大多数材料较好的吸收，在激光材料加工方面有独特的优势。

由于大多数材料对紫外激光有很好的吸收，同时紫外激光加工产生的热影响较少，减少了对加工对象的材料损伤。紫外激光器的波长比可见光波长更短，而短波长可以实现较小的光斑和线宽，从而更精确地聚焦。因此相较于其他种类的激光器，紫外激光器有着独特的应用和市场。

紫外激光就其特性和优势目前主要应用在标记、复合材料切割、钻孔、精细加工等领域。

结语

尽管二极管抽运固体激光器日趋成熟，但不可避免地还存在许多问题。比如能用于深紫外波段的倍频晶体单一、生长尺寸小、转换效率低。与此同时，随着新型增益晶体、倍频晶体的不断问世，以往晶体加工技术的不断提高，相信紫外激光的输出功率越来越高，输出波段逐步减小，激光器结构简单化，使得紫外激光器使用范围越来越广。

参考文献：孔庆鑫,任怀瑾,鲁燕华,王卫民.全固态紫外激光器研究进展[J].光通信技术.2017.5：34-37

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