在过去的十年中，人们对短波连续紫外（UV）光源兴趣不断增长。波长范围在200- 280 nm且连续输出的紫外激光，具有波长短、光子能量大、衍射效应小、分辨能力强、热效应小等优点。
短波紫外激光器非常适合于科研、工业、OEM系统集成开发，可以为荧光吸收、拉曼光谱、基因检测、相干测量、生物化工、医疗诊治、食品安全、快速成型、精密微加工、3D打印等应用提供理想光源。基于短波紫外激光器生产的磁盘的数据存储空间比蓝光激光器高出20倍。因此，日本计算机硬件制造商正在努力将短波紫外激光器和短波紫外激光管应用于计算机数据存储技术，以便大幅增加数据存储能力。
短波紫外激光之所以优于红外激光以及可见激光，主要是由于短波紫外激光可以直接破坏连接物质原子组分的化学键加工物质而不会破坏周围环境。通常，连续短波紫外激光器应用都是采用传统的气体激光器技术或锁模固体激光器技术，但是仅能提供准连续性能。这些锁模激光器产生的峰值功率通常为千瓦级别，这严重限制了短波紫外激光器在生物领域的应用。
近十年用激光二极管抽运的全固态固体激光器技术不仅提高了功率，优化了模式质量而且使方向稳定性更好。相较于其他类型的激光器而言，它具有效率高、性能可靠、光束质量较好及功率稳定等特点。
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。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，而短波紫外激光技术正成为新的研究和应用热点。
261nm短波连续紫外激光器技术
短波紫外激光谱线产生的传统方式
由于短波紫外光子能量大，难以通过外激励源激励产生一定高功率的连续短波紫外激光，故实现短波连续紫外激光一般是应用晶体材料非线性效应变频方法产生。传统的全固态短波紫外激光谱线产生的方法一般有两种：
- 直接对红外全固体激光器进行腔内或腔外3倍频或4倍频来得到短波紫外激光谱线；
- 先利用倍频技术得到二次谐波然后再利用和频技术得到短波紫外激光谱线。如使用Nd:YAG/Nd:YVO4激光晶体辐射的1064 nm基频光进行倍频过程输出532 nm激光，需要将1064 nm基频光和532 nm倍频光作为新的基频光再次通过非线性过程输出355 nm紫外激光。通常采用这种方式有效非线性系数小，转换效率低。
三价镨离子（Pr3+）作为一种可以直接通过下转换实现可见光输出的稀土元素离子而备受关注，其能级跃迁如图1所示。Pr3+-掺杂材料可以产生数种颜色的可见光，包括深红色（约698 nm和720 nm）、红色（约640 nm）、橙色（约605 nm）、绿色（约522 nm）和蓝色（约490 nm）。随着InGaN半导体激光器的发展，可以实现在可见光波段发射高功率、紧凑型全固态激光器。这种可见光激光器的另一个优点是，可以通过腔内倍频产生连续短波紫外激光。
图1 Pr3+能级结构及可见光波段能级跃迁
单次倍频实现短波紫外输出的激光模式的技术方案
短波连续紫外激光必须依托谐振腔实现紫外激光的连续稳定输出，这对谐振腔设计、模式匹配、光光转换效率、光学薄膜抗损伤能力的要求更高，技术难度大。为了克服现有技术的不足，长春新产业光电技术有限公司提供一种单次倍频实现短波紫外输出的激光模式，能够将基频光通过二次非线性过程转化成为倍频光输出，进而实现真正意义上的高效输出的激光二极管直接抽运腔内倍频短波紫外全固态激光器。采用技术方案如下：
- 通过优化光学谐振腔腔型、腔长和镜面曲率等参数，设计出满足设计输入要求的光学结构；
- 通过优化光学薄膜的设计，利用离子溅射沉积方法制作高质量光学薄膜。结合实际调试效果，不断改进光学晶体和镜片的镀膜质量，降低腔内损耗，提高激光器的输出效率，为激光波长稳定谐振提供条件；
- 通过优化激光介质和非线性晶体材料、浓度、长度等参数，实现最佳输出；
- 通过优化机械结构设计，使得激光器元件固定起来更加方便；优化免装调模块化结构设计，使工业级可靠性不断增加；减小光源模块体积，加强连续工作的抗热损伤能力；提高光机结构抗震动能力和器件使用寿命，保证激光器产品质量；
- 电学方面的激光电源和温控电路采用数字化技术，实现小体积、低噪声、抗干扰的设计功能。通过光电反馈技术，实现激光器输出功率的自适应调节，提高激光器的长期稳定性和可靠性。
通过短波连续紫外激光器泵源集成、谐振腔设计、模式匹配、非线性频率变换、光学薄膜制作等关键技术，突破短波紫外激光连续运转、高效率、高功率长时间稳定工作等技术难题，推出261 nm短波连续紫外激光器UV-F-261，如图2所示。
图2 UV-F-261产品外观图
腔内倍频短波紫外全固态激光器
该激光器是激光二极管直接抽运腔内倍频短波紫外全固态激光器，如图3所示。主要由半导体激光器（LD）、抽运光学整形镜、抽运光学耦合镜组、激光增益介质（Pr3+晶体）、非线性倍频晶体（BBO）和两个平凹镜组成。该激光器使用了折叠V型谐振器。
图3 UV-F-261 谐振腔结构设计图
折叠谐振器可以提供两个最佳的束腰，分别在非线性晶体和激光增益介质中。一个束腰可以满足模式匹配条件, 另一个可以提高倍频效率。LD发射与Pr3+晶体吸收相对应的444 nm波长的激光，通过抽运光学整形镜组对LD的光学分布进行整形，再通过抽运光学耦合镜组注入Pr3+晶体中。Pr3+晶体的通光表面互相平行且与谐振腔同轴。
非线性晶体BBO对腔内522 nm基频光进行倍频，实现全固态、连续261 nm短波紫外激光输出。折叠谐振器可以做得非常紧凑，从而产生机械稳定性。整个二次谐波的产生（SHG）是在一个方向上通过谐振腔镜反射实现的，没有紫外线通过增益材料，防止它的光学降解的额外风险。此外，Pr3+晶体、非线性晶体和LD均用半导体制冷器（TEC）进行严格精确控温，以实现激光器稳定运行。
由于激光晶体和变频晶体都具有一定的损伤阈值，在使用过程中紫外的变频晶体很容易被紫外光破坏。被紫外光束破坏的晶体面积只占晶体截面面积的很小一部分，但是仍然需要对激光器进行维修或更换晶体，造成了很大的人力和物力的浪费，并使固体紫外激光器的整体使用寿命缩短，无法满足长时间稳定运行的要求。
长春新产业公司对高功率紫外激光寿命进行了提升。在谐振腔设计、倍频控制、腔内热补偿以及冷却控制等基础上，通过在谐振腔内加入偏转机械装置，在激光器使用过程中，每间隔一段时间平移一下倍频晶体，避免了光路长期作用于倍频晶体上的同一点，从而成倍地提高了短波紫外激光器的使用寿命。
UV-F-261是一款短波紫外261 nm波段的连续运转方式工作的激光器，其中心波长为261.37 nm，激光输出功率超过100 mW，激光功率稳定性优于1%，激光振幅噪声优于0.5%。该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、环境适应能力（包括抗震、抗高温、抗潮等）强等特点。
图4 UV-F-261典型输出光谱换图
图5 UV-F-261激光输出特性及功率稳定性
总 结
短波紫外激光器正在拉曼光谱领域涌现出新应用，紫外拉曼光谱避开了荧光干扰，具有较高的灵敏度，并且拉曼信号可以通过共振拉曼信号得到增强，在很大程度上扩宽了拉曼光谱在物理、化学、生物、材料等领域中的应用。中科院大连化物所李灿院士组采用UV-F-261短波连续紫外激光器，用于分子筛、杂原子分子筛的结构、合成、催化表征及原位表征研究，并取得重要成果。
图6 UV-F-261激光器在紫外拉曼光谱仪及紫外拉曼光谱中的应用
目前，国内已知长春新产业公司在开展261 nm短波连续紫外激光器的研制。该产品可满足深紫外拉曼光谱、紫外光刻、荧光激发等领域的需求，填补市场空白，并带动激光精细加工、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
1长春新产业光电技术有限公司
2中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
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