一文看懂261 nm 短波连续紫外激光器技术

在过去的十年里，人们连续紫外线短波（UV）光源兴趣不断增长。波长范围为2000- 280 nm连续输出的紫外激光具有波长短、光子能量大、衍射效应小、分辨率强、热效应小等优点。

短波紫外激光非常适合科研、工业、OEM系统集成开发可用于荧光吸收、拉曼光谱、基因检测、相关测量、生化、医疗诊断和治疗、食品安全、快速成型、精密微加工D为理想光源提供打印等应用。磁盘的数据存储空间是蓝光激光器的20倍。因此，日本计算机硬件制造商正试图在计算机数据存储技术中应用短波紫外激光器和短波紫外激光管，以大大提高数据存储能力。

短波紫外激光优于红外激光和可见激光，主要是因为短波紫外激光可以直接破坏连接物质原子成分的化学键处理物质，而不会破坏周围环境。一般的气体激光技术或锁模固体激光技术通常用于连续短波紫外激光器，但只能提供准连续性能。这些锁模激光产生的峰值功率通常为千瓦级，严重限制了短波紫外激光在生物领域的应用。

近十年来，激光二极管抽取的全固体激光技术不仅提高了功率，优化了模式质量，而且提高了方向稳定性。与其他类型的激光器相比，它具有效率高、性能可靠、光束质量好、功率稳定等特点。

未来，短波紫外激光技术将催生新一代纳米技术、材料科学、生物技术、化学分析、等离子体物理等学科的发展。从短波紫外激光到红外激光，光电子技术将成为人类发展的重要基础，短波紫外激光技术正成为新的研究和应用热点。

261nm短波连续紫外激光技术

传统的短波紫外激光谱线生成方法

由于短波紫外光子能量大，难以通过外部激励源激励产生一定的高功率连续短波紫外激光，因此短波连续紫外激光一般采用晶体材料的非线性效应变频方法。一般有两种传统的全固态短波紫外激光谱生产方法：

红外全固体激光器直接在腔内或腔外获得3倍或4倍的短波紫外激光谱线；首先使用倍频技术获得二次谐波，然后使用和频技术获得短波紫外激光谱线。如使用Nd:YAG/Nd:YVO4激光晶体辐射10 nm倍频过程输出532 nm激光，需要10 nm基频光和532 nm作为一种新的基频，倍频光通过非线性过程再次输出355 nm紫外激光。有效非线性系数小，转换效率低。

三价镨离子（Pr3 ）稀土元素离子作为一种可以通过下转换直接实现可见光输出的稀土元素离子，备受关注，其能级跃迁如图1所示。Pr3 -掺杂材料可以产生多种颜色的可见光，包括深红色(约698 nm和720 nm）、红色（约 0 nm）、橙色（约605 nm）、绿色（约522 nm）和蓝色（约490 nm）。随着InGaN在可见光波段发射高功率、紧凑型全固态激光器，可实现半导体激光器的发展。这种可见光激光器的另一个优点是通过腔内倍频产生连续的短波紫外激光。

图1 Pr3 能级结构和可见光波段能级跳跃

激光模式单倍频实现短波紫外输出的技术方案

短波连续紫外激光必须依靠谐振腔实现紫外激光的连续稳定输出，对谐振腔设计、模式匹配、光转换效率、光膜抗损伤能力要求较高，技术难度较大。为了克服现有技术的不足，长春新提供了一种激光模式，可以通过二次非线性过程将基频光转化为倍频光输出，从而实现激光二极管的真正高效输出，直接泵送腔内倍频短波紫外线全固态激光器。技术方案如下：

满足设计输入要求的光学结构是通过优化光学谐振腔型、腔长、镜面曲率等参数； 利用离子溅射沉积法，优化光学薄膜设计，制作优质光学薄膜。结合实际调试效果，不断提高光学晶体和镜片的涂层质量，减少腔损失，提高激光输出效率，为激光波长稳定谐振提供条件，优化激光介质和非线性晶体材料、浓度、长度，优化机械结构设计，优化模块化结构设计，增加工业可靠性；减少光源模块体积，增强连续工作的耐热损伤能力；提高光机结构的抗振动能力和设备的使用寿命，保证激光产品的质量；采用数字技术实现小体积、低噪声、抗干扰的设计功能。通过光电反馈技术，实现激光输出功率的自适应调节，提高激光的长期稳定性和可靠性。

通过短波连续紫外激光泵源集成、谐振腔设计、模式匹配、非线性频率变换、光学薄膜生产等关键技术，突破短波紫外激光连续运行、高效、长期稳定工作等技术问题，推出261 nm短波连续紫外激光器UV-F-如图2所示，261。

图2 UV-F-261产品外观图

短波紫外全固态激光器

激光器是激光二极管直接泵送腔内的全固态激光器，如图3所示。主要由半导体激光器组成（LD）、抽运光学整形镜、抽运光学耦合镜组、激光增益介质（Pr3 非线性倍频晶体)（BBO）它由两个平凹镜组成。激光器采用折叠V谐振器。

图3 UV-F-261 谐振腔结构设计图

在非线性晶体和激光增益介质中，折叠谐振器可以提供两种较佳束腰。束腰可满足模式匹配条件， 另一种可以提高倍频效率。LD发射与Pr3 晶体吸收对应于444 nm波长激光通过抽运光学整形镜组对齐LD整形手术的光学分布，然后通过抽运光学耦合镜组注入Pr3 晶体中。Pr3 晶体的光表面平行，与谐振腔同轴。

非线性晶体BBO对腔内522 nm实现全固态、连续261 nm短波紫外激光输出。折叠谐振器可以非常紧凑，从而产生机械稳定性。产生整个二次谐波（SHG）通过谐振腔镜反射在一个方向上实现，没有紫外线通过增益材料来防止其光学降解的额外风险。此外，Pr3 晶体、非线性晶体和LD均为半导体制冷器（TEC）为了实现激光器的稳定运行，严格准确地控温。

由于激光晶体和变频晶体都有一定的损伤阈值，紫外线变频晶体在使用过程中很容易被紫外线损坏。紫外线束损坏的晶体面积只占晶体截面积的一小部分，但仍需要维护或更换激光器，造成大量人力物力浪费，缩短固体紫外线激光器的整体使用寿命，不能满足长期稳定运行的要求。

提高了高功率紫外激光的使用寿命。在谐振腔设计、倍频控制、腔热补偿和冷却控制的基础上，通过在谐振腔中添加偏转机械装置，在激光使用过程中，每隔一段时间平移倍频晶体，避免长期作用于倍频晶体的光路，提高短波紫外激光的使用寿命。

UV-F-261短波紫外线261 nm中心波长为261.37 nm，激光输出功率超过1000 mW，激光功率稳定性优于1%，激光振幅噪声优于0.5%。激光器具有激光性能（包括激光功率、稳定性、光束质量、使用寿命等指标）优异、结构简单、环境适应性强（包括抗震、高温、防潮等）的特点。

图4 UV-F-典型输出光谱261

图5 UV-F-261激光输出特性及功率稳定性

总 结

短波紫外激光器出现在拉曼光谱领域，避免荧光干扰，灵敏度高，通过共振拉曼信号可以增强拉曼信号，大大扩大了拉曼光谱在物理、化学、生物、材料等领域的应用。中国科学院大连化学院李灿院士组UV-F-对分子筛、杂原子分子筛的结构、合成、催化表征和原位表征进行研究，并取得重要成果。

图6 UV-F-261激光器在紫外拉曼光谱仪和紫外拉曼光谱中的应用

目前，国内已知正在开展261 nm开发短波连续紫外激光器。本产品能满足深紫外拉曼光谱、紫外光刻、荧光刺激等领域的需求，填补市场空白，推动激光精细加工、光谱分析等领域的发展。

文 / 窦微1 曲大鹏1 浦双双1 郭丹1 周阳1 郑权1,2

长春新

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

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