短波長（<300nm）、短脈寬（<1ps）激光在與(yu) 物質作用過程中，以其很小的熱影響作用特性，成為(wei) 精密激光加工、極端科學研究的先進工具，例如在有機材料冷剝蝕、超快光譜學研究、極紫外光源產(chan) 生、光參量放大器泵浦等領域有著廣泛的用途。
不同於(yu) 常見的355nm皮秒、納秒紫外激光器，從(cong) 1030nm紅外激光的四次諧波轉換而來的257nm深紫外飛秒激光，具備更高的空間分辨率和時間分辨率潛質，能夠推動物質結構深層次研究和特種微納材料製造，但其產(chan) 生過程存在著諧波轉換效率低、非線性晶體(ti) 和鍍膜易損傷(shang) 等難題，一定程度製約了這種深紫外激光功率的提升和推廣應用。
奧創光子在前一代10W平均功率257nm波長飛秒激光器的產(chan) 品基礎之上，通過一係列技術手段，將平均功率提升到了15W，並且顯著改善了激光光束質量，為(wei) 高精度絕熱激光微加工升級了光源。基頻光光源來自奧創型號為(wei) OR-200-IR的激光器，中心波長1030nm，輸出功率≥200W，重頻800KHz，單脈衝(chong) 能量≥250μJ，脈寬約600fs，可用激光器內(nei) 置的AOM控製入射到諧波發生器的基頻光功率。考慮到峰值功率較高，為(wei) 了避免晶體(ti) 損傷(shang) 並增加後續光學元件的使用壽命，用擴束係統將紅外光斑直徑擴大至3mm(1/e^2)。SHG晶體(ti) 選用尺寸為(wei) 12×12×5mm3的LBO非線性晶體(ti) ，通光麵為(wei) 12×12mm2，足夠接收擴束後的基頻光束，並鍍1030nm和515nm的增透膜；該LBO晶體(ti) 切割角θ=90°，φ=0°，為(wei) 非臨(lin) 界相位匹配，通過嚴(yan) 格控溫約195℃來滿足相位匹配條件。選擇LBO的原因是在眾(zhong) 多SHG晶體(ti) 中其具有最高的損傷(shang) 閾值，非臨(lin) 界相位匹配避免了空間走離現象，非線性轉換效率通常更高，適用於(yu) 飛秒激光的諧波轉換。
圖1. 基頻紅外光源的基本指標測量
（光譜，脈寬，功率穩定性）在上述的光路布局下，照射到LBO晶體(ti) 的最大基頻光峰值功率密度達6GW/c㎡，有效產(chan) 生了諧波轉換。經過多次微調LBO加熱爐的溫控來優(you) 化倍頻效率，在最大注入基頻光時，二倍頻光經過兩(liang) 片515nmHR/1030nmAR鍍膜的雙色鏡，從(cong) 殘餘(yu) 的基頻光中分離出來後進入後續的高次諧波發生係統，最高綠光功率達到85.10W。測量得到的綠光光束質量和光斑形貌見圖2，顯然二次諧波過程並未對二倍頻光束造成空間分布的影響，這就保障了後續四倍頻具有良好的注入光光束質量，利於(yu) 提升四倍頻效率並減小光束質量的劣化。
圖2. 二倍頻綠光光束質量及光斑測量
在工程實踐中，我們(men) 的二倍頻模塊對倍頻效率和中低功率的相位匹配條件做了保留，重點關(guan) 注高功率注入下的綠光性能，這也符合後麵四倍頻模塊有效諧波轉換的要求。處於(yu) 係統穩定性的考慮，對二倍頻激光功率穩定性做了長時間的監測，從(cong) 實測數據看，其功率穩定性優(you) 於(yu) 0.22%，8小時連續測量功率平均值84.6W（圖3）。
圖3. 二倍頻激光功率穩定性測量
在四次諧波發生（FHG）模塊中，除了兼顧諧波轉換的相位匹配條件，工程化方麵重點解決(jue) 四倍頻晶體(ti) 的有效散熱，緩解倍頻晶體(ti) 內(nei) 部的熱透鏡效應。FHG晶體(ti) 選用尺寸為(wei) 10x10x0.4mm³的BBO，10×10m㎡的兩(liang) 通光麵鍍515nm和257nm的增透膜，切割角θ=50°，φ=0°，為(wei) 一類相位匹配，無需加熱，控製在常溫300K即可。選擇BBO的原因是在眾(zhong) 多FHG晶體(ti) 中CLBO和BBO具有更高的轉換效率，盡管CLBO比BBO有更大的可接受帶寬和更小的空間走離，但其易潮解，不是工程應用領域的最佳選項。考慮到高峰值功率的深紫外激光在倍頻晶體(ti) 中存在雙光子吸收(TPA)和自相位調製等非線性效應，因而限製了晶體(ti) 長度，對於(yu) 飛秒脈衝(chong) 宜使用<1mm厚度的BBO晶體(ti) 。如此薄的倍頻晶體(ti) 在高功率基頻光輸入和有效的深紫外激光轉換下，晶體(ti) 的線性和非線性吸收依然會(hui) 引起晶體(ti) 內(nei) 部升溫，造成的熱透鏡效應直接影響深紫外激光光束質量。為(wei) 了有效散熱，我們(men) 在對BBO晶體(ti) 的工程化封裝中采取了夾層設計，使BBO晶體(ti) 緊密貼在同樣薄片狀的兩(liang) 片鈦寶石玻璃之間；鈦寶石玻璃的熱導率比BBO晶體(ti) 高近乎兩(liang) 個(ge) 數量級，能夠有效傳(chuan) 導散熱，給BBO晶體(ti) 降溫。BBO前放置一半波片(λ/2@515nm)用來調整綠光的偏振態，BBO及鈦寶石玻璃夾層結構放置於(yu) 一個(ge) 可以精細調節傾(qing) 角的裝置中，最後用兩(liang) 片257nmHR/515nmAR鍍膜的雙色鏡將257nm的深紫外激光導出（圖4）。
圖4. 四倍頻光路圖
對於(yu) 由綠光倍頻產(chan) 生257nm的BBO晶體(ti) ，走離角
，深紫外波長CDG=464.7（fs²/mm）的群延遲色散，有效非線性係數deff=1.7pm/V；由於(yu) 選用了0.4mm長的晶體(ti) ，晶體(ti) 角容差=4.5mrad，可接受溫度範圍=136.75k，可接受角度=9mard，可接受光譜帶寬=3963.5GHz。實際調試過程中，FHG的效率會(hui) 隨著注入515nm激光的功率而變化，因而在逐漸增加515nm激光強度的同時，適時對BBO晶體(ti) 的受光角度進行微調，直至在最大綠光注入功率下保持可接受的紫外倍頻效率。產(chan) 品的開發並不以追求極致的單一技術指標為(wei) 重點，而是強調激光器的整體(ti) 性能指標；所以在微調BBO晶體(ti) 角度來優(you) 化相位匹配程度的同時，檢測了深紫外激光束的遠場光斑分布，選取合適的受光角度來平衡倍頻效率和光束質量的要求。直接輸出的深紫外激光遠場光斑如（圖5a），光斑圓度74%，此時倍頻效率（綠光-深紫外）17.7%；而後采取了柱透鏡整形的措施，將遠場光斑圓度提升至87%（圖5b）。測得的257nm深紫外激光平均功率14.9W，6小時功率穩定性見圖6。
圖5. 四倍頻產(chan) 生的深紫外激光遠場光斑：a.光束整形前; b. 光束整形後
圖6. 四倍頻深紫外激光功率穩定性測量
功率的緩慢衰減通過微調BBO晶體(ti) 角度亦可恢複，這是由於(yu) 晶體(ti) 和鈦寶石玻璃的溫度場起伏造成的相位匹配偏移，而非倍頻晶體(ti) 的損傷(shang) 引起。後續通過改善倍頻晶體(ti) 及其夾層結構的水冷模塊設計，輔以改進溫控程序算法，預期可保持更好的功率穩定性。奧創光子升級的這款高平均功率深紫外飛秒激光器FLASH-DUV，平均功率近15W，單脈衝(chong) 能量18.7μJ，估算峰值功率62MW。可滿足激光光譜學、生物光子學等物質檢測和生物大分子檢測應用中對短波超短脈衝(chong) 激發光源的要求。
奧創光子技術有限公司是一家專(zhuan) 業(ye) 從(cong) 事工業(ye) 級飛秒激光器及其核心器件研發、生產(chan) 與(yu) 應用的國家高新技術企業(ye) 。總部坐落於(yu) 浙江省杭州市，目前擁有約10000平方米光學潔淨室和辦公區。公司創始核心團隊由中科院西安光學精密機械研究所國家重點實驗室核心隊伍及海歸超快激光器工程化專(zhuan) 家共同組成，其中包括國家萬(wan) 人計劃專(zhuan) 家、國際知名超快激光器企業(ye) 首席設計師等，是目前國內(nei) 超快激光領域的先行者和引領者。
自2018年創立以來，公司已申請150餘項專利，已擁有核心技術包括NALM全光纖長壽命鎖模種子源量產工藝、高階色散可調控CFBG製作工藝、拋物脈衝高保真光纖CPA技術、高增益innoslab放大器封裝工藝及技術等，結合100%自主設計的超快種子源、溫度調諧式啁啾光纖光柵等核心器件，已成功推出千瓦級、毫焦級、超短脈寬等係列化飛秒激光器產品，並在國內率先實現工業領域批量出貨，年量產出貨超過500台，打破了該領域被國外產品長期壟斷的局麵。
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