紫外飞秒激光器作为先进激光技术的核心突破之一，凭借其超短脉冲、高峰值功率以及紫外波段特有的高光子能量，正在重塑精密制造、前沿科研与生命科学等领域的革新应用

紫外飞秒激光器的核心优势在于能够在极短时间内释放超高能量，几乎消除热效应，从而实现对材料的“冷加工”；其短波长特性也赋予这种光源更小的聚焦光斑能力，成为微纳加工的利器。因此紫外飞秒激光器在半导体晶圆切割、生物组织无创成像、量子材料制备等场景中展现出不可替代的价值。然而，长期以来，紫外飞秒激光器的技术瓶颈：单脉冲能量不足、系统稳定性差、维护成本高昂，严重制约了其产业化进程。目前市场上的商品化紫外飞秒激光器单脉冲能量大多局限在50μJ以内，平均功率不足百瓦，生产商主要是从激光器在工业现场使用寿命的考量，将这些指标设定在器件可长期运行的参数范围内；在镀膜和光学材料实现技术突破之前，高能高功率紫外激光器的平均无故障时间难以获得突破性的提升。

然而产业的发展仍需要工业品制造商不断探索和突破产品局限性，与应用端用户共同挑战当前技术上限，为前沿应用或产业升级尝试开拓出多种可能的技术路线。奥创光子在国家重点研发计划项目的需求牵引下，以用户需求为导向，集中技术资源攻关高能紫外飞秒激光器技术，获得了百微焦的紫外飞秒脉冲。为确保激光器综合性能稳定，采用了高功率近红外飞秒激光器作为基频光源，该近红外飞秒激光器为奥创光子产线上业已成熟的板条固体放大CPA平台的300W版产品，其输出最大单脉冲能量3mJ（图1）。为了匹配三倍频紫外谐波转换，该基频光平台设置最大能量上限为600μJ，满足谐波转换所需能量强度，也避免了高能脉冲对倍频器件的损伤风险。

图1. 奥创光子300瓦功率飞秒红外激光器

奥创光子的300W飞秒激光器为光纤种子结合固体放大器的布局，主放大器采用板条Yb:YAG晶体作为激光增益介质，通过多通板条放大光路实现高功率、大能量的超短脉冲输出。高功率放大光路的重点在于突破放大器的热效应制约，掌握热管理及增益管理关键技术；尤其是针对数百瓦平均功率的红外飞秒激光器产品开发目标，作为主放大器的板条放大系统需要总功率不低于2200W的泵浦光，因此该放大器的开发重点工作集中于两台泵浦源输出泵浦光的整形、聚焦以及为保护泵浦源而设计的反向隔离措施。

为了简化板条激光放大器的装调难度，同时确保足够的增益倍率，采用以平面反射镜为腔镜的两级双端泵浦结构，第一级为7通光路结构，第二级为4通光路结构，整形后的椭圆状光强分布的信号光以较小的发散角进入板条放大器。两级板条放大器共用两个高功率二极管bar条阵列泵浦源，每个泵浦源的输出泵浦光经偏振分光镜分束为两个互相垂直的传输光路，进入各自的光束整形与匀化光学装置，而后聚焦进入前后两级Yb:YAG晶体。随着泵浦电流的提升，两级板条放大器同时获得增益，输出放大光，为了给倍频系统提供优良光束质量的基频光，板条放大器并未充分利用增益介质储能，放大功率维持在介质热畸变较小的增益区间内。

激光器的三倍频系统设计为独立模块，内置二倍频和三倍频晶体、准直及聚焦透镜组、分光镜以及光学密封腔微环境循环过滤器件。其中二倍频光学装置为LBO晶体的温度匹配二次谐波转换光路系统，将来自前端近红外飞秒激光器的300W、波长1030nm的飞秒激光汇聚入射LBO晶体；在精细调节最佳相位匹配温度后，产生转换效率超过40%的二次谐波（图2）。

图2. 二倍频产生的绿光激光功率稳定性和脉宽

三倍频晶体采用BBO，为了有效散热并尽量减少群延迟失配，薄片状BBO晶体嵌入主动制冷热沉中，解决高功率高能量谐波转换下非线性晶体温控难题，从而提升紫外倍频效率和稳定性。从售后维护角度考量，三倍频晶体及其温控系统设计为整体模块式拆装方式，便于激光器在紫外倍频系统维护周期节点进行快速的维护、维修。倍频腔体内的环境工程学措施包括密封充气倍频腔体达到隔绝外部灰尘污染的目的，并采用循环气泵定期过滤腔内材料产生的杂质，延长倍频晶体寿命。

整合了上述环境工程学措施的紫外飞秒激光器，经过严格的出厂测试，获得的主要输出参数（图3）为：中心波长343nm，最大平均功率54W，最大单脉冲能量108μJ ，目前该款百微焦紫外飞秒激光器已主要用于材料科学研究。

图3. 紫外飞秒激光主要参数实测结果（上：功率稳定性测试；下：远场光斑测量)

紫外飞秒激光器的研制历程，本质上是一场跨越物理极限、工程瓶颈与产业需求的攻坚战。从晶体材料的筛选到相位匹配的精密控制，从实验室的原型验证到工业产线的稳定落地，每一项进步都凝聚着多学科交叉的智慧结晶。当前，奥创光子等民族激光企业在高端激光器领域已展现出强劲的追赶势头，扩大国产高端激光光源在精密制造行业的市场份额；而要实现从“并跑”到“领跑”的跃迁，仍需期待我国光学材料研究工作者在增益介质、非线性晶体、高损伤阈值镀膜等底层技术领域持续深耕和突破。

转自：奥创光子

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