在過去的十年中，人們對短波連續紫外（UV）光源興趣不斷增長。波長範圍在200- 280 nm且連續輸出的紫外激光，具有波長短、光子能量大、衍射效應小、分辨能力強、熱效應小等優點。
短波紫外激光器非常適合於科研、工業、OEM系統集成開發，可以為熒光吸收、拉曼光譜、基因檢測、相干測量、生物化工、醫療診治、食品安全、快速成型、精密微加工、3D打印等應用提供理想光源。基於短波紫外激光器生產的磁盤的數據存儲空間比藍光激光器高出20倍。因此，日本計算機硬件製造商正在努力將短波紫外激光器和短波紫外激光管應用於計算機數據存儲技術，以便大幅增加數據存儲能力。
短波紫外激光之所以優於紅外激光以及可見激光，主要是由於短波紫外激光可以直接破壞連接物質原子組分的化學鍵加工物質而不會破壞周圍環境。通常，連續短波紫外激光器應用都是採用傳統的氣體激光器技術或鎖模固體激光器技術，但是僅能提供準連續性能。這些鎖模激光器產生的峰值功率通常為千瓦級別，這嚴重限制了短波紫外激光器在生物領域的應用。
近十年用激光二極管抽運的全固態固體激光器技術不僅提高了功率，優化了模式質量而且使方向穩定性更好。相較於其他類型的激光器而言，它具有效率高、性能可靠、光束質量較好及功率穩定等特點。
未來，短波紫外激光技術將催生新一代納米技術、材料科學、生物技術、化學分析、等離子體物理等學科的發展。短波紫外激光到紅外激光，光電子技術將成為人類發展的重要基礎，而短波紫外激光技術正成為新的研究和應用熱點。
261nm短波連續紫外激光器技術
短波紫外激光譜線產生的傳統方式
由於短波紫外光子能量大，難以通過外激勵源激勵產生一定高功率的連續短波紫外激光，故實現短波連續紫外激光一般是應用晶體材料非線性效應變頻方法產生。傳統的全固態短波紫外激光譜線產生的方法一般有兩種：
- 直接對紅外全固體激光器進行腔內或腔外3倍頻或4倍頻來得到短波紫外激光譜線；
- 先利用倍頻技術得到二次諧波然後再利用和頻技術得到短波紫外激光譜線。如使用Nd:YAG/Nd:YVO4激光晶體輻射的1064 nm基頻光進行倍頻過程輸出532 nm激光，需要將1064 nm基頻光和532 nm倍頻光作為新的基頻光再次通過非線性過程輸出355 nm紫外激光。通常採用這種方式有效非線性係數小，轉換效率低。
三價鐠離子（Pr3+）作為一種可以直接通過下轉換實現可見光輸出的稀土元素離子而備受關注，其能級躍遷如圖1所示。Pr3+-摻雜材料可以產生數種顏色的可見光，包括深紅色（約698 nm和720 nm）、紅色（約640 nm）、橙色（約605 nm）、綠色（約522 nm）和藍色（約490 nm）。隨著InGaN半導體激光器的發展，可以實現在可見光波段發射高功率、緊湊型全固態激光器。這種可見光激光器的另一個優點是，可以通過腔內倍頻產生連續短波紫外激光。
圖1 Pr3+能級結構及可見光波段能級躍遷
單次倍頻實現短波紫外輸出的激光模式的技術方案
短波連續紫外激光必須依託諧振腔實現紫外激光的連續穩定輸出，這對諧振腔設計、模式匹配、光光轉換效率、光學薄膜抗損傷能力的要求更高，技術難度大。為了克服現有技術的不足，長春新產業光電技術有限公司提供一種單次倍頻實現短波紫外輸出的激光模式，能夠將基頻光通過二次非線性過程轉化成為倍頻光輸出，進而實現真正意義上的高效輸出的激光二極管直接抽運腔內倍頻短波紫外全固態激光器。採用技術方案如下：
- 通過優化光學諧振腔腔型、腔長和鏡面曲率等參數，設計出滿足設計輸入要求的光學結構；
- 通過優化光學薄膜的設計，利用離子濺射沉積方法制作高質量光學薄膜。結合實際調試效果，不斷改進光學晶體和鏡片的鍍膜質量，降低腔內損耗，提高激光器的輸出效率，為激光波長穩定諧振提供條件；
- 通過優化激光介質和非線性晶體材料、濃度、長度等參數，實現最佳輸出；
- 通過優化機械結構設計，使得激光器元件固定起來更加方便；優化免裝調模塊化結構設計，使工業級可靠性不斷增加；減小光源模塊體積，加強連續工作的抗熱損傷能力；提高光機結構抗震動能力和器件使用壽命，保證激光器產品質量；
- 電學方面的激光電源和溫控電路採用數字化技術，實現小體積、低噪聲、抗干擾的設計功能。通過光電反饋技術，實現激光器輸出功率的自適應調節，提高激光器的長期穩定性和可靠性。
通過短波連續紫外激光器泵源集成、諧振腔設計、模式匹配、非線性頻率變換、光學薄膜製作等關鍵技術，突破短波紫外激光連續運轉、高效率、高功率長時間穩定工作等技術難題，推出261 nm短波連續紫外激光器UV-F-261，如圖2所示。
圖2 UV-F-261產品外觀圖
腔內倍頻短波紫外全固態激光器
該激光器是激光二極管直接抽運腔內倍頻短波紫外全固態激光器，如圖3所示。主要由半導體激光器（LD）、抽運光學整形鏡、抽運光學耦合鏡組、激光增益介質（Pr3+晶體）、非線性倍頻晶體（BBO）和兩個平凹鏡組成。該激光器使用了摺疊V型諧振器。
圖3 UV-F-261 諧振腔結構設計圖
摺疊諧振器可以提供兩個最佳的束腰，分別在非線性晶體和激光增益介質中。一個束腰可以滿足模式匹配條件, 另一個可以提高倍頻效率。LD發射與Pr3+晶體吸收相對應的444 nm波長的激光，通過抽運光學整形鏡組對LD的光學分佈進行整形，再通過抽運光學耦合鏡組注入Pr3+晶體中。Pr3+晶體的通光表面互相平行且與諧振腔同軸。
非線性晶體BBO對腔內522 nm基頻光進行倍頻，實現全固態、連續261 nm短波紫外激光輸出。摺疊諧振器可以做得非常緊湊，從而產生機械穩定性。整個二次諧波的產生（SHG）是在一個方向上通過諧振腔鏡反射實現的，沒有紫外線通過增益材料，防止它的光學降解的額外風險。此外，Pr3+晶體、非線性晶體和LD均用半導體制冷器（TEC）進行嚴格精確控溫，以實現激光器穩定運行。
由於激光晶體和變頻晶體都具有一定的損傷閾值，在使用過程中紫外的變頻晶體很容易被紫外光破壞。被紫外光束破壞的晶體面積只佔晶體截面面積的很小一部分，但是仍然需要對激光器進行維修或更換晶體，造成了很大的人力和物力的浪費，並使固體紫外激光器的整體使用壽命縮短，無法滿足長時間穩定運行的要求。
長春新產業公司對高功率紫外激光壽命進行了提升。在諧振腔設計、倍頻控制、腔內熱補償以及冷卻控制等基礎上，通過在諧振腔內加入偏轉機械裝置，在激光器使用過程中，每間隔一段時間平移一下倍頻晶體，避免了光路長期作用於倍頻晶體上的同一點，從而成倍地提高了短波紫外激光器的使用壽命。
UV-F-261是一款短波紫外261 nm波段的連續運轉方式工作的激光器，其中心波長為261.37 nm，激光輸出功率超過100 mW，激光功率穩定性優於1%，激光振幅噪聲優於0.5%。該激光器具有激光性能（包括激光功率、穩定性、光束質量、使用壽命等指標）優異、結構簡單、環境適應能力（包括抗震、抗高溫、抗潮等）強等特點。
圖4 UV-F-261典型輸出光譜換圖
圖5 UV-F-261激光輸出特性及功率穩定性
總 結
短波紫外激光器正在拉曼光譜領域湧現出新應用，紫外拉曼光譜避開了熒光干擾，具有較高的靈敏度，並且拉曼信號可以通過共振拉曼信號得到增強，在很大程度上擴寬了拉曼光譜在物理、化學、生物、材料等領域中的應用。中科院大連化物所李燦院士組採用UV-F-261短波連續紫外激光器，用於分子篩、雜原子分子篩的結構、合成、催化表徵及原位表徵研究，並取得重要成果。
圖6 UV-F-261激光器在紫外拉曼光譜儀及紫外拉曼光譜中的應用
目前，國內已知長春新產業公司在開展261 nm短波連續紫外激光器的研製。該產品可滿足深紫外拉曼光譜、紫外光刻、熒光激發等領域的需求，填補市場空白，並帶動激光精細加工、光譜分析等領域的發展。
文 / 竇微1 曲大鵬1 浦雙雙1 郭丹1 周陽1 鄭權1,2
1長春新產業光電技術有限公司
2中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
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