在過去的十年里，人們連續紫外線短波（UV）光源興趣不斷增長。波長范圍為2000- 280 nm連續輸出的紫外激光具有波長短、光子能量大、衍射效應小、分辨率強、熱效應小等優點。

短波紫外激光非常適合科研、工業、OEM系統集成開發可用于熒光吸收、拉曼光譜、基因檢測、相關測量、生化、醫療診斷和治療、食品安全、快速成型、精密微加工D為理想光源提供打印等應用。磁盤的數據存儲空間是藍光激光器的20倍。因此，日本計算機硬件制造商正試圖在計算機數據存儲技術中應用短波紫外激光器和短波紫外激光管，以大大提高數據存儲能力。

短波紫外激光優于紅外激光和可見激光，主要是因為短波紫外激光可以直接破壞連接物質原子成分的化學鍵處理物質，而不會破壞周圍環境。一般的氣體激光技術或鎖模固體激光技術通常用于連續短波紫外激光器，但只能提供準連續性能。這些鎖模激光產生的峰值功率通常為千瓦級，嚴重限制了短波紫外激光在生物領域的應用。

近十年來，激光二極管抽取的全固體激光技術不僅提高了功率，優化了模式質量，而且提高了方向穩定性。與其他類型的激光器相比，它具有效率高、性能可靠、光束質量好、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。從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，短波紫外激光技術正成為新的研究和應用熱點。

261nm短波連續紫外激光技術

傳統的短波紫外激光譜線生成方法

由于短波紫外光子能量大，難以通過外部激勵源激勵產生一定的高功率連續短波紫外激光，因此短波連續紫外激光一般采用晶體材料的非線性效應變頻方法。一般有兩種傳統的全固態短波紫外激光譜生產方法：

紅外全固體激光器直接在腔內或腔外獲得3倍或4倍的短波紫外激光譜線；首先使用倍頻技術獲得二次諧波，然后使用和頻技術獲得短波紫外激光譜線。如使用Nd:YAG/Nd:YVO4激光晶體輻射10 nm倍頻過程輸出532 nm激光，需要10 nm基頻光和532 nm作為一種新的基頻，倍頻光通過非線性過程再次輸出355 nm紫外激光。有效非線性系數小，轉換效率低。

三價鐠離子（Pr3 ）稀土元素離子作為一種可以通過下轉換直接實現可見光輸出的稀土元素離子，備受關注，其能級躍遷如圖1所示。Pr3 -摻雜材料可以產生多種顏色的可見光，包括深紅色(約698 nm和720 nm）、紅色（約 0 nm）、橙色（約605 nm）、綠色（約522 nm）和藍色（約490 nm）。隨著InGaN在可見光波段發射高功率、緊湊型全固態激光器，可實現半導體激光器的發展。這種可見光激光器的另一個優點是通過腔內倍頻產生連續的短波紫外激光。

圖1 Pr3 能級結構和可見光波段能級跳躍

激光模式單倍頻實現短波紫外輸出的技術方案

短波連續紫外激光必須依靠諧振腔實現紫外激光的連續穩定輸出，對諧振腔設計、模式匹配、光轉換效率、光膜抗損傷能力要求較高，技術難度較大。為了克服現有技術的不足，長春新提供了一種激光模式，可以通過二次非線性過程將基頻光轉化為倍頻光輸出，從而實現激光二極管的真正高效輸出，直接泵送腔內倍頻短波紫外線全固態激光器。技術方案如下：

滿足設計輸入要求的光學結構是通過優化光學諧振腔型、腔長、鏡面曲率等參數； 利用離子濺射沉積法，優化光學薄膜設計，制作優質光學薄膜。結合實際調試效果，不斷提高光學晶體和鏡片的涂層質量，減少腔損失，提高激光輸出效率，為激光波長穩定諧振提供條件，優化激光介質和非線性晶體材料、濃度、長度，優化機械結構設計，優化模塊化結構設計，增加工業可靠性；減少光源模塊體積，增強連續工作的耐熱損傷能力；提高光機結構的抗振動能力和設備的使用壽命，保證激光產品的質量；采用數字技術實現小體積、低噪聲、抗干擾的設計功能。通過光電反饋技術，實現激光輸出功率的自適應調節，提高激光的長期穩定性和可靠性。

通過短波連續紫外激光泵源集成、諧振腔設計、模式匹配、非線性頻率變換、光學薄膜生產等關鍵技術，突破短波紫外激光連續運行、高效、長期穩定工作等技術問題，推出261 nm短波連續紫外激光器UV-F-如圖2所示，261。

圖2 UV-F-261產品外觀圖

短波紫外全固態激光器

激光器是激光二極管直接泵送腔內的全固態激光器，如圖3所示。主要由半導體激光器組成（LD）、抽運光學整形鏡、抽運光學耦合鏡組、激光增益介質（Pr3 非線性倍頻晶體)（BBO）它由兩個平凹鏡組成。激光器采用折疊V諧振器。

圖3 UV-F-261 諧振腔結構設計圖

在非線性晶體和激光增益介質中，折疊諧振器可以提供兩種較佳束腰。束腰可滿足模式匹配條件， 另一種可以提高倍頻效率。LD發射與Pr3 晶體吸收對應于444 nm波長激光通過抽運光學整形鏡組對齊LD整形手術的光學分布，然后通過抽運光學耦合鏡組注入Pr3 晶體中。Pr3 晶體的光表面平行，與諧振腔同軸。

非線性晶體BBO對腔內522 nm實現全固態、連續261 nm短波紫外激光輸出。折疊諧振器可以非常緊湊，從而產生機械穩定性。產生整個二次諧波（SHG）通過諧振腔鏡反射在一個方向上實現，沒有紫外線通過增益材料來防止其光學降解的額外風險。此外，Pr3 晶體、非線性晶體和LD均為半導體制冷器（TEC）為了實現激光器的穩定運行，嚴格準確地控溫。

由于激光晶體和變頻晶體都有一定的損傷閾值，紫外線變頻晶體在使用過程中很容易被紫外線損壞。紫外線束損壞的晶體面積只占晶體截面積的一小部分，但仍需要維護或更換激光器，造成大量人力物力浪費，縮短固體紫外線激光器的整體使用壽命，不能滿足長期穩定運行的要求。

提高了高功率紫外激光的使用壽命。在諧振腔設計、倍頻控制、腔熱補償和冷卻控制的基礎上，通過在諧振腔中添加偏轉機械裝置，在激光使用過程中，每隔一段時間平移倍頻晶體，避免長期作用于倍頻晶體的光路，提高短波紫外激光的使用壽命。

UV-F-261短波紫外線261 nm中心波長為261.37 nm，激光輸出功率超過1000 mW，激光功率穩定性優于1%，激光振幅噪聲優于0.5%。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、環境適應性強（包括抗震、高溫、防潮等）的特點。

圖4 UV-F-典型輸出光譜261

圖5 UV-F-261激光輸出特性及功率穩定性

總 結

短波紫外激光器出現在拉曼光譜領域，避免熒光干擾，靈敏度高，通過共振拉曼信號可以增強拉曼信號，大大擴大了拉曼光譜在物理、化學、生物、材料等領域的應用。中國科學院大連化學院李燦院士組UV-F-對分子篩、雜原子分子篩的結構、合成、催化表征和原位表征進行研究，并取得重要成果。

圖6 UV-F-261激光器在紫外拉曼光譜儀和紫外拉曼光譜中的應用

目前，國內已知正在開展261 nm開發短波連續紫外激光器。本產品能滿足深紫外拉曼光譜、紫外光刻、熒光刺激等領域的需求，填補市場空白，推動激光精細加工、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

長春新

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所

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