短波長（<300nm）、短脈寬（<1ps）激光在與物質(zhì)作用過程中，以其很小的熱影響作用特性，成為精密激光加工、極端科學(xué)研究的先進工具，例如在有機材料冷剝蝕、超快光譜學(xué)研究、極紫外光源產(chǎn)生、光參量放大器泵浦等領(lǐng)域有著廣泛的用途。

不同于常見的355nm皮秒、納秒紫外激光器，從1030nm紅外激光的四次諧波轉(zhuǎn)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(zhì)，能夠推動物質(zhì)結(jié)構(gòu)深層次研究和特種微納材料制造，但其產(chǎn)生過程存在著諧波轉(zhuǎn)換效率低、非線性晶體和鍍膜易損傷等難題，一定程度制約了這種深紫外激光功率的提升和推廣應(yīng)用。

奧創(chuàng)光子在前一代10W平均功率257nm波長飛秒激光器的產(chǎn)品基礎(chǔ)之上，通過一系列技術(shù)手段，將平均功率提升到了15W，并且顯著改善了激光光束質(zhì)量，為高精度絕熱激光微加工升級了光源。

基頻光光源來自奧創(chuàng)型號為OR-200-IR的激光器，中心波長1030nm，輸出功率≥200W，重頻800KHz，單脈沖能量≥250μJ，脈寬約600fs，可用激光器內(nèi)置的AOM控制入射到諧波發(fā)生器的基頻光功率?？紤]到峰值功率較高，為了避免晶體損傷并增加后續(xù)光學(xué)元件的使用壽命，用擴束系統(tǒng)將紅外光斑直徑擴大至3mm(1/e^2)。SHG晶體選用尺寸為12×12×5mm3的LBO非線性晶體，通光面為12×12mm2，足夠接收擴束后的基頻光束，并鍍1030nm和515nm的增透膜；該LBO晶體切割角θ=90°，φ=0°，為非臨界相位匹配，通過嚴格控溫約195℃來滿足相位匹配條件。選擇LBO的原因是在眾多SHG晶體中其具有最高的損傷閾值，非臨界相位匹配避免了空間走離現(xiàn)象，非線性轉(zhuǎn)換效率通常更高，適用于飛秒激光的諧波轉(zhuǎn)換。

圖1. 基頻紅外光源的基本指標測量（光譜，脈寬，功率穩(wěn)定性）

在上述的光路布局下，照射到LBO晶體的最大基頻光峰值功率密度達6GW/c㎡，有效產(chǎn)生了諧波轉(zhuǎn)換。經(jīng)過多次微調(diào)LBO加熱爐的溫控來優(yōu)化倍頻效率，在最大注入基頻光時，二倍頻光經(jīng)過兩片515nmHR/1030nmAR鍍膜的雙色鏡，從殘余的基頻光中分離出來后進入后續(xù)的高次諧波發(fā)生系統(tǒng)，最高綠光功率達到85.10W。測量得到的綠光光束質(zhì)量和光斑形貌見圖2，顯然二次諧波過程并未對二倍頻光束造成空間分布的影響，這就保障了后續(xù)四倍頻具有良好的注入光光束質(zhì)量，利于提升四倍頻效率并減小光束質(zhì)量的劣化。

圖2. 二倍頻綠光光束質(zhì)量及光斑測量

在工程實踐中，我們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(guān)注高功率注入下的綠光性能，這也符合后面四倍頻模塊有效諧波轉(zhuǎn)換的要求。處于系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，對二倍頻激光功率穩(wěn)定性做了長時間的監(jiān)測，從實測數(shù)據(jù)看，其功率穩(wěn)定性優(yōu)于0.22%，8小時連續(xù)測量功率平均值84.6W（圖3）。

圖3. 二倍頻激光功率穩(wěn)定性測量

在四次諧波發(fā)生（FHG）模塊中，除了兼顧諧波轉(zhuǎn)換的相位匹配條件，工程化方面重點解決四倍頻晶體的有效散熱，緩解倍頻晶體內(nèi)部的熱透鏡效應(yīng)。FHG晶體選用尺寸為10x10x0.4mm3的BBO，10×10m㎡的兩通光面鍍515nm和257nm的增透膜，切割角θ=50°，φ=0°，為一類相位匹配，無需加熱，控制在常溫300K即可。選擇BBO的原因是在眾多FHG晶體中CLBO和BBO具有更高的轉(zhuǎn)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(yīng)用領(lǐng)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中存在雙光子吸收(TPA)和自相位調(diào)制等非線性效應(yīng)，因而限制了晶體長度，對于飛秒脈沖宜使用<1mm厚度的BBO晶體。如此薄的倍頻晶體在高功率基頻光輸入和有效的深紫外激光轉(zhuǎn)換下，晶體的線性和非線性吸收依然會引起晶體內(nèi)部升溫，造成的熱透鏡效應(yīng)直接影響深紫外激光光束質(zhì)量。

為了有效散熱，我們在對BBO晶體的工程化封裝中采取了夾層設(shè)計，使BBO晶體緊密貼在同樣薄片狀的兩片鈦寶石玻璃之間；鈦寶石玻璃的熱導(dǎo)率比BBO晶體高近乎兩個數(shù)量級，能夠有效傳導(dǎo)散熱，給BBO晶體降溫。BBO前放置一半波片(λ/2@515nm)用來調(diào)整綠光的偏振態(tài)，BBO及鈦寶石玻璃夾層結(jié)構(gòu)放置于一個可以精細調(diào)節(jié)傾角的裝置中，最后用兩片257nmHR/515nmAR鍍膜的雙色鏡將257nm的深紫外激光導(dǎo)出（圖4）。

圖4. 四倍頻光路圖

對于由綠光倍頻產(chǎn)生257nm的BBO晶體，走離角，深紫外波長CDG=464.7（fs2/mm）的群延遲色散，有效非線性系數(shù)deff=1.7pm/V；由于選用了0.4mm長的晶體，晶體角容差=4.5mrad，可接受溫度范圍=136.75k，可接受角度=9mard，可接受光譜帶寬=3963.5GHz。實際調(diào)試過程中，F(xiàn)HG的效率會隨著注入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晶體的受光角度進行微調(diào)，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(chǎn)品的開發(fā)并不以追求極致的單一技術(shù)指標為重點，而是強調(diào)激光器的整體性能指標；所以在微調(diào)BBO晶體角度來優(yōu)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(zhì)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%；而后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(wěn)定性見圖6。

圖5. 四倍頻產(chǎn)生的深紫外激光遠場光斑：a.光束整形前; b. 光束整形后

圖6. 四倍頻深紫外激光功率穩(wěn)定性測量

功率的緩慢衰減通過微調(diào)BBO晶體角度亦可恢復(fù)，這是由于晶體和鈦寶石玻璃的溫度場起伏造成的相位匹配偏移，而非倍頻晶體的損傷引起。后續(xù)通過改善倍頻晶體及其夾層結(jié)構(gòu)的水冷模塊設(shè)計，輔以改進溫控程序算法，預(yù)期可保持更好的功率穩(wěn)定性。

奧創(chuàng)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，單脈沖能量18.7μJ，估算峰值功率62MW。可滿足激光光譜學(xué)、生物光子學(xué)等物質(zhì)檢測和生物大分子檢測應(yīng)用中對短波超短脈沖激發(fā)光源的要求。