Xinlin Lü, Yujie Peng, Wenyu Wang, et al. High-energy, high-repetition-rate ultraviolet pulses from an efficiency-enhanced, frequency-tripled laser[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2021, 9(3): 03000e38
高功率紫外激光在激光预处理、微纳加工、量子光学和非线性光学测量等领域有着广泛的应用需求。由于固体增益介质发射谱有限，高功率紫外激光通常由近红外激光三倍频获得。然而经过倍频、和频这两级非线性过程后，三倍频总转换效率普遍较低。对于重频亚纳秒和皮秒紫外激光器来说，由于缺乏精确的时空调制，三倍频转换效率通常低于50%。因此需要提高激光脉冲的时空填充系数，使激光脉冲在时间和空间上各点的功率密度保持一致，以提高三倍频转换效率。
近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室冷雨欣研究员课题组通过精确调控Nd:YAG激光器放大后基频激光脉冲的时间波形和空间分布，以提高其时空填充系数。将120 mJ、100 Hz的1064 nm激光脉冲通过两块LBO晶体进行三倍频后获得了脉冲能量为91 mJ、脉宽470 ps的355 nm激光脉冲，三倍频转换效率高达76%，脉冲能量稳定性在3小时优于1.07% (RMS)，这是目前已知的重频皮秒固态激光器中实现的最高三倍频转换效率。研究成果发表在 High Power Laser Science and Engineering 2021年第3期上。
该波形可调谐的高功率355 nm激光器结构如图１所示，由前端可编程种子源、光隔离系统、再生放大器（RA）、光束整形器、主放大系统（MA）、谐波转换单元等部分组成。其中1064 nm激光器为MOPA构型设计，由可编程光纤种子源和LD泵浦的Nd:YAG固体激光放大器构成。谐波转换单元级联了两块LBO晶体来实现三倍频，通过精确的时间调控和空间整形，能够极大地提高三倍频转换效率。
图2给出了脉冲的时域波形的调控原理，如图2(a-b)所示为未经时域调控波形，此时三倍频转换效率只有~60%；利用种子源的任意波形发生器对激光脉宽和时间波形进行调制后，如图2(c-d)所示，补偿了激光脉冲放大和谐波转换过程中的时间畸变，最终输出激光脉冲在时域上具有较高的填充系数，呈平顶分布。优化后三倍频转换效率达到76%。
图2 激光脉冲的时间波形调控：1064 nm种子源和对应355 nm输出
通过空间调制能有效地补偿了空间增益不均匀、热透镜效应和退偏振效应等，使激光输出呈平顶空间分布。为了评估时空优化后的355 nm激光远场光束质量，图3(a)给出了平顶分布光束聚焦和三个输出波长下的能量集中度曲线，在三倍频的非线性过程中，激光脉冲的波前发生了畸变，因此光束质量略有劣化。
为了提高输出的355 nm激光的能量稳定性，我们调控了基频激光脉冲的时域波形稳定性，并精确控制了两块LBO晶体的温度。1064 nm激光在脉冲能量为120 mJ时3 h能量稳定性为0.82% (RMS)，如图4所示，经过时空优化后355 nm激光脉冲3小时的能量稳定性为1.07% (RMS)。目前该激光器正用于进行DKDP晶体的亚纳秒激光预处理研究，结果表明，亚纳秒激光脉冲的时域波形可以在很大程度上影响晶体的损伤点尺寸和损伤阈值。
图4 1064 nm和355 nm激光脉冲能量3小时稳定性（RMS）
