355nm激光器

南昌航空大学科技学院学士学位论文11绪论自1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光器技术得到了迅速发展，而其中固体激光器以其独有的效率高、体积小、寿命长、运转稳定、维护方便等优点成为激光技术中最具有发展前途的研究领域之一。八十年代中后期，随着激光二极管的问世，LD泵浦全固态激光器(DiodePumpedSolid-stateLaser或DPSSL)技术得到了极大的发展，特别是全固态绿光、紫外激光器的研究更是吸引了众多的科研工作者，一些性能优良的全固态激光器已走出实验室，以适中的价格和优良的性能进入激光器的市场。世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，由于激光具有单色性好，方向性强，相干性好及亮度高等优异性能，激光技术与应用发展迅猛。全固态激光器因体积小、结构紧凑、运转可靠、维护方便等一系列优点，一直吸引着无数的激光工作者们。在本章中对全固态激光器的发展现状、应用状况及355nm全固态紫外激光器国内外研究现状、泵浦方式作出了较全面地总结。1.1激光器的发展与现状激光器根据工作物质的不同主要可分为气体和固体两大类激光器。气体激光器是以蒸汽或气体作为工作物质产生激光；固体激光器是由玻璃或光学透明的晶体作为基质材料，掺与激活物质或激活离子产生激光。在固体激光器以前气体激光器一直都是激光器的唯一来源。气体激光器可分为准分子激光器、离子激光器和氦-镉激光器三大类。这三类气体激光器的应用方式各有不同，准分子激光器主要以脉冲放式应用；氦-镉激光器和离子激光器主要以连续方式的应用。气体激光器主要以准分子激光器为主。它是一种以准分子为工作物质的一种气体激光器。通常用横向快速脉冲放电或相对论中电子束能量大于200千电子伏特来实现激励的。当受激发态准分子中不稳定分子键断裂而离解成为基态原子时，受激发态的能量以激光辐射形式放出。主要可用于同位素分离、激光光谱学、光通信、生物学等领域。离子激光器是一种以离子为工作物质的气体激光器。最常见的是氩离子激光器，其发出的蓝绿色激光正好可应用于医学眼科，并且可以水下作业。氦-镉激光器是一种以镉金属蒸气为工作物质的气体激光器。主要可应用在血细胞计数、活字印刷、激光诱导荧光实验以及集成电路芯片检验等领域。南昌航空大学科技学院学士学位论文2准分子激光器的光束质量差，需要用遮光膜将会损失95%或更多能量；离子激光器也有方向稳定性差等缺点。这几种气体激光器的缺点主要表现在设备庞大、设备费用高、能耗高、占地面积大、可靠性小、寿命短等。固体激光器根据泵浦源的不同主要可分为连续弧光灯激光器、闪光灯激光器，和由于近年来激光二极管技术的飞速发展而实现的激光二极管泵浦全固态激光器。与市场上现有的这几种灯泵浦固体激光器相比，激光二极管泵浦全固态激光器具有许多显著的优点，主要体现在：（1）系统效率有所提高：和闪光灯发射效率相比较而言，激光二极管在808nm发射带与钕吸收带之间有很好的光谱匹配，从而达到高效率。实际上，闪光灯辐射出的能量与输入的电能量之间转换效率可高达70％，而激光二极管辐射出的能量与输入电能之间转换效率只有25％～50％。但是，不同的钕吸收带吸收只是闪光灯辐射能其中的一小部分，激光二极管输出的波长是可选择的，一般在特定的固体激光器中可使其都处于吸收带中从而提高转换效率。（2）光束质量有所改善：激光二极管泵浦全固态激光器发射的波长和钕吸收带之间有很好的光谱匹配，从而使激光材料积累的热量减少了，降低了热透镜效应，进而使光束质量有很好的改善。再者由于激光二极管好的方向性，使得我们可以设计出泵浦光和低阶模之间存在很好模式匹配的谐振腔，从而有高亮度激光输出。（3）高的脉冲重复频率：准连续激光二极管泵浦全固态激光器除了有连续弧光灯和闪光灯的连续运转和低重复频率特性以外，还能使固体激光器在几百甚至几千赫兹重复频率范围内脉冲运转。（4）元件寿命有所提高：激光二极管泵浦全固体激光器的可靠性和系统寿命都比灯泵浦全固态激光器有所提高。当连续工作时，激光二极管的寿命约为410h，脉冲发射次数约为910；而闪光灯的寿命约为500h，脉冲发射次数约为810；连续弧光灯在管壁上容易有积淀物使其发生破坏性失效，通常也只有几百小时的寿命。（5）能实现结构紧凑的激光系统：激光二极管光源比灯泵浦源输出有小的发射角和好的光束方向性，故有可能设计出结构紧凑的新型激光系统，例如端面泵浦激光器、光纤耦合激光器和微芯片激光器等。（6）有利于健康：弧光灯泵浦系统中会有高温、高压脉冲和紫外辐射，而激光二极管泵浦系统则不会出现这些不利于健康的因素。此外，灯泵浦系统中出现的大量紫外线和高强度的泵浦光，使冷却水和泵浦腔出现衰变，从而系统功能会出现衰退现象且需要售后维护，激光二极管泵浦系统则不会出现这些问题。南昌航空大学科技学院学士学位论文31.2全固态紫外激光器的应用状况及获得方式1.2.1全固态紫外激光器的应用紫外激光的聚焦性能好、波长短、光子能量高且具有冷处理等特点，并能激发特定光化学反应，这些特点使得其在光数据存储、光谱分析、光盘控制、光化学反应、大气探测、生物、医学及科研等领域具有广泛的应用。紫外激光在微加工应用具有三个明显的优势：第一，短的波长可以加工非常小的零部件，光束衍射效应是限制零部件加工最小尺寸的一个主要原因，可达到的最小聚焦点直径随波长呈线性增加；第二，能量高的光子可直接破坏材料内部分子的化学键，这种过程称为“冷”处理过程，与可见光激光器和红外激光器利用聚集热量来熔化加工部位的材料相比其热影响区几乎可忽略不计；第三，在自然界中大部分材料都能吸收紫外光，它的这个特点使得紫外激光能加工很多可见激光和红外激光不能加工的材料。上述三个优越性使得紫外激光可以加工塑料制品和薄膜橡胶等脆弱物质，也使得其在生物工程、先进制造业、环境监测、半导体产业、相干激光检测等领域都有重要应用。1）生物工程上的应用自从1997年第一次研发出用准分子激光器制作出聚合物微流控芯片以后，激光器制作聚合物微流控芯片就成为当今研究的一个热点。微流控芯片在生物分析及合成、DNA测序、基因突变、细胞的培养等领域都有广泛应用。它是一种通过微米级的管道网络流体来控制的技术，把机械泵或电渗等作为驱动来完成流体的运输，再结合一种功能化的微小单元，使得流体中的组成成分在流动的过程中完成分离和分配最后再通过检测器检测。紫外激光加工具有“冷”加工的特点，在用紫外激光来制作微流控芯片时，紫外激光是直接破坏分子的化学键而使材料被分解去除，激光可以直接写入制作微流控芯片不需要掩膜。这一整个制作过程快速、灵活且不需要无尘设备和耐腐蚀化学剂。2）先进的制造业，主要应用于微加工和速快定型很多年以来，市场上激光标刻主要是用1064nm波长的闪光灯激光器，它是通过聚集热量来熔化材料来标记的，这样不可避免地会对材料的表面造成或多或少的损伤。紫外激光只是使植入到塑料内部的颜料发生光化学反应，来改变颜料的光谱特性，即红外激光的内反射改为紫外激光的吸收，这一光化学反应只是使材料的表面产生很南昌航空大学科技学院学士学位论文4高的对比度而形成标记，材料的表面不会有损伤。紫外激光不仅可以用在激光标记上，还可以用来对纺织品的表面进行处理，用紫外激光处理的材料仅仅在结构的表层发生变化，而纤维材料的本质不会发生变化。它还能在特定的区域对材料的表面进行无接触性的物理处理，同时还能不使用任何化学助剂就能使聚合物表面的物理和化学性质发生改变。激光表面改性技术不仅能使高聚物纤维的染色效果有所提高，而且用于纺织品印花时也能得到更细致的图样。3）环境的监测紫外激光已经成为目前激光质谱法最常用的激励光源之一。激光质谱法是把飞行时间质谱与共振增强多光子电离结合起来的一种方法。这种方法灵敏度高、选择性高、速度快并且能同时对很多组进行分析，是一种能对气态污染物检测的新方法，尤其适合用在实时动态监测。自然界中的很多物质在紫外光的照射下能发出可以反映出该物质本身特征的荧光，我们可以用荧光光谱来对污染物进行定量或者定性的分析，激光荧光光谱分析现已成为我们对环境污染进行监测的一种非常有效的手段。激光荧光遥感器已成为目前唯一能探测海滩溢油和区分海草油污染的遥感器，更是目前唯一能探测冰、雪油污染非常有效的方法。4）半导体产业中的应用随着半导体工业的发展，半导体薄片技术也在不断的发展，为了能把生产效率提高，我们把半导体薄片加工技术使用在半导体产品中，这样能把几个甚至几千万个类似的半导体仪器集成到一块高纯度称作为“晶片”的衬底上，像这样一块小到几英寸的晶片上有时候能集成高达几千片的芯片，最后在封装前还又必须要把他们分开成为单个的电路单元。随着微电子器件迅速的发展，需要的晶片也越来越薄，则薄晶片的切割就成为我们迫切需要解决的问题。传统晶片的切割大部分都是用金刚石锯来切割，这样一来晶片就不能切割得太薄，有些晶片材料非常脆弱，在切割的时候很容易破碎掉，同时也很容易对周围元件造成损伤，而且在切割的时候金刚石锯片也经常会受损。而采用紫外激光切割薄片的时候这些问题很容易就能得到解决，紫外激光切割拥有小的热影响区、切缝很窄、高效率、切边无机械加工应力等优点。5）相干激光检测的重要应用一般在相干激光检测中，为了能确定被检物体的宏观形状与标准试件的偏差，我们可以使用紫外激光器作为光源，并与全息技术、相干技术、剪应力记录技术等结合起来，则可精确的显示被检测物体的偏差程度。南昌航空大学科技学院学士学位论文51.2.2全固态紫外激光器的获得方式全固体紫外光的获得，目前主要有以下几种方式1)绿光泵浦掺钛蓝宝石得到飞秒激光器，然后对其进行倍频得到紫外激光输出，但是绿光泵浦蓝宝石飞秒激光器对泵浦源的要求很高，至少要求5W以上的绿光泵浦，这对绿光的获得本身就是一个高难度的挑战，因此价格非常昂贵，不适于产业化。2)直接二次倍频LD输出紫外激光，将LD输出的近红外激光通过二次倍频获得紫外激光，这种获得方式能够实现高的光-光转换效率。但通过LD直接二次频率变换获得紫外激光，不仅要求LD具有很好的单频性，而且紫外输出功率很低，使得不能满足大多数实际应用的要求。3)直接使用红外全固态激光器的三倍频或者四倍频技术得到紫外激光，或先用倍频技术获得二次谐波，然后利用和频技术获得紫外激光。前一种方法因有效非线性系数很小，所以频率转换效率很低；后一种方法由于是利用二次非线性极化率，故频率转换效率要比前一种高很多。因此，本实验采用先用倍频技术得到二次谐波，再利用和频技术得到355nm紫外激光的方法。1.3355nm紫外激光器的国内外研究现状1.3.1国外研究现状近年来随着二极管泵浦功率稳步增加，可用一根二极管实现二极管激光器，通过端面泵浦和侧面泵浦更加容易实现二极管泵浦全固态激光器。当复重频率为6kHz时输出功率为8.8W的355nm紫外激光器，在1997年CLEO会议中被报道，2001年，美国光谱物理公司的Hodgson等研究员实现了当重复频率为30kHz时最大功率为12w的355nm紫外激光器，它采用的是端面泵浦4:NdYVO获得的，而日本三菱公司的Konno等研究人员实现了当重复频率25kHz时最大功率为18W的355nm紫外激光器，它则是采用端面泵浦:NdYAG获得的。ChenlinDU等人在2002年获得了输出功率为1305uW的355nm连续紫外激光器。美国Coherent公司在1999年就研制出了当重复频率为15kHz时最大平均功率为1.5W型号为AVIA355.1500DPASS，在当时最适合微处理应用的355nm紫外激光器，美国光谱物理公司在2001年实现了，当重复频率为30kHz时最高功率为8W工业用的355nm紫外激光器。相干公司在2004年就生产出了当重复频率为40kHz时最大平均功率为10W的AvⅣ系列355nm紫外激光器，美国相干公司在2008年推出了当重复频率为南昌航空大学科技学院学士学位论文620kHz平均功率为2W和重复频率为60kHz平均功率为1W的两种新型Matrix355nm紫外激光器系列。该系列激光器采用的是激光二极管泵浦，智能元件装配及