与纳秒激光器相比，皮秒激光器的脉冲宽度更短，特别是小于10 ps的激光脉冲，不会对加工材料造成热破坏，被称为“冷加工”，在精密加工领域得到广泛的应用。皮秒紫外^[1](UV)激光的波长更短，光子能量更高，聚焦光斑更小，同时高能量的UV光子直接破坏材料的分子键^[2]，不会形成红外激光的“热熔”过程，使得加工的尺寸可以更小，加工的精度得到进一步提高。

皮秒UV激光的产生有三倍频(THG)和四倍频(FHG)，THG输出的UV激光功率更高，从基频光到UV激光的转换效率更高，适合需要高功率精密加工领域，有功率稳定性高、光束质量好和价格低等实用化的优点，使得THG皮秒UV激光器的研究发展迅速。高功率皮秒激光由主振荡功率放大器(MOPA)产生，皮秒种子光一般由半导体可饱吸收镜(SESAM)锁模产生，种子光经再生放大过程或直接功率放大过程产生高功率皮秒基频光，基频光经UV非线性晶体产生UV激光。特别是性能优良的UV非线性晶体和镀膜技术的提高，损伤阈值进一步提高，已经能够满足高功率皮秒激光THG的要求，特别是以355和343 nm为代表的高功率皮秒激光器在高精密加工、激光医疗、光电对抗^[3]和光伏产业等领域^[4]有重要应用。本文重点介绍了高功率皮秒紫外激光器，高峰值功率皮秒紫外激光器，高功率和高峰值功率皮秒紫外激光器的新进展，此外，本文阐述了和频工作原理，介绍了和频产生皮秒紫外激光的非线性晶体，指出了光子晶体光纤和碟片激光器输出高光束质量基频光的皮秒紫外激光器的突出优势。最后，对高功率皮秒紫外皮秒激光器的进一步发展及应用给予了展望。

皮秒紫外^[5,6]激光的产生，需要倍频(SHG)过程和和频过程(除紫外二极管)，和频又称为三倍频，其工作原理如图1所示。

图  1  和频过程原理图

Figure 1.  Schematic diagram for principle of THG

在平面波近似和小信号近似下，由基频光与倍频光和频作用产生的三倍频UV光的强度可表示为^[7]：
 P₃=2³π²d²_effL²P₁P₂ε₀cn₁n₂n₃λ²₃Asinc²(|Δk|L/2) , (1)
式中，d_eff是晶体的有效非线性系数，L是三倍频晶体的长度，P₁P₂是基频光与倍频光的功率，A是三倍频晶体上的光斑面积，sinc²(|Δk|K/2)是三倍频晶体的相位匹配因子。晶体的相位匹配分为角度相位匹配和温度相位匹配。通常情况下，参与三倍频的三个光波的频率是一定的，实现相位匹配的方法，就是利用三倍频光学晶体的双折射特性和色散特性，来改变三波折射率的相对大小，使之满足相位匹配。对于单轴晶体，光波有o光和e光之分，其中e光折射率随波矢与光轴间的夹角θ变化，改变光波的θ角，使e光折射率变化，当θ角变化到某一角度时，e光折射率正好使相位匹配关系成立，这种改变晶体入射角度来实现匹配的方法称为角度相位匹配或临界相位匹配，使相位匹配条件成立时的角度θ_m称为角度相位匹配角。对于负单轴晶体，o+o→e称为Ⅰ类相位匹配，o+e→e称为Ⅱ类相位匹配。角度相位匹配时，三倍频e光和基频光o光光束在空间中会产生分离，称为“走离效应”^[8]。为消除走离效应的影响，通常相位匹配角θ_m取90°。利用晶体折射率对温度的敏感性来实现相位匹配，称为温度相位匹配，又叫非临界相位匹配(NCPM)。

由式(1)可以看出，要提高三倍频UV光功率，就要提高基频光和倍频光的功率，选用较高有效非线性系数的晶体和合适的非线性晶体长度^[9]，合适的非线性晶体长度对提高皮秒UV激光的转换效率尤其重要。

一般说来，皮秒量级的基频光功率密度较高，应选用较短的倍频晶体和三倍频晶体，但皮秒激光的线宽较宽，要得到高的转换效率，就应该选用较长的非线性晶体。总之，应根据基频光的具体参数，选用合适长度的非线性晶体才能得到最佳的三倍频UV光转换效率。

光电功能晶体是光电子技术领域的重要基础材料。利用光电功能晶体能对光波进行频率、偏振、幅度等调控，被称为“光学半导体”。随着“光学半导体”的快速发展，UV激光非线性晶体也得到了快速发展，新型的UV激光非线性晶体不断涌现。我国材料科学家在UV激光非线性晶体的研究方面取得了丰硕的成果，尤其是以陈创天院士为代表的研究团队研制的UV激光非线性晶体BBO和LBO，由于BBO、LBO晶体首先由中国科学家发现，而且性能优异，具有很好的应用前景，因此国际上被誉为“中国牌晶体”。BBO、LBO晶体是最主要的高功率皮秒UV晶体。

1979年，基于“非线性光学效应的阴离子基团理论” ^[10]，在研究组的共同努力下，陈创天研制成功了用于UV波段的优异非线性晶体低温相偏硼酸钡(β-BaB₂O₄，简称BBO)。

BBO是一种负单轴晶体，三方晶系，空间群 R3c；单胞参数a=b=1.253 2 nm，c=1.271 7 nm，Z=7；相位匹配输出波长189～1 750 nm。355 nm三倍频时，有效非线性系数1.21 pm/V，接收角0.6 mrad·cm，走离角4.1°。由于BBO具有较小的接收角和较大的走离角，因此获得理想的转换效率的关键是使用较好质量的基频光(具有小的发散角，较好的模式条件等)；而且该晶体会产生微潮解，需要镀膜来解决。但BBO晶体在Nd∶YAG激光二、三、四倍频上的性能优异，是213 nm光五倍频的最佳选择。目前工业应用高重复频率皮秒UV激光器倍频、三倍频和四倍频(266 nm)常采用该晶体。

1987年，陈创天研究团队发现并生长出第二块“中国牌”非线性光学晶体LBO^[11]。LBO 属负双轴晶体，与BBO相比，LBO紫外截止波长紫移到150 nm，有适当的硬度和良好的机械加工性能，潮解性能良好，已经能够长出大尺寸、高质量的单晶。LBO是一种点群mm²的斜方晶体，晶格参数 a=0.844 73 nm，b=0.737 88 nm，c=0.513 95 nm，Z=2。由连续的网状B₃O₇分子群组成，并有锂离子填充在分子间隙，B₃O₇分子群紧凑的结构使得LBO晶体难以包含任何杂质，可透光波段范围宽(150～2 600 nm)。LBO可用于Nd∶YAG和Nd∶YLF激光二、三倍频的相位匹配(Ⅰ类、Ⅱ类匹配皆可)，LBO晶体的非临界相位匹配具有无离散、接收角宽、有效非线性系数大的特点，很快就获得了国际激光科技界和工业界的认可，并被广泛应用在激光工业界。

获得皮秒的方法有短腔法和锁模法，短腔法获得的脉冲宽度在百皮秒到几百皮秒，要想获得更短的脉冲宽度，需要采用锁模法。采用半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模输出的脉冲宽度在几皮秒到几十皮秒之间，特别是小于10 ps的脉冲激光，非常适合于“冷加工”，若是脉冲宽度小于10 ps的高功率皮秒紫外激光，由于波长短，很适合高精 密的“冷加工”，在航空、航天和精密仪器制造中发挥了不可替代的作用，成为各大科研院所和各大激光加工集团研究的热点。本文重点介绍脉冲宽度10 ps左右的皮秒紫外激光器的研究进展。

2012年，SANGLA D等人^[12]报道了重复频率

图  2  343 nm皮秒UV激光器(P=63 W)实验装置图

Figure 2.  Overall laser setup of 343 nm UV ps lasers(P=63 W)

80 MHz时输这出343 nm UV激光达63 W的皮秒UV激光器，是目前为止最高的皮秒UV激光输出记录，实验装置图如图2所示。

该激光器系统采用MOPA全光纤结构，种子光脉冲宽度为40 ps，最大输出功率为3 W，光谱宽度为0.3 nm。功率放大系统采用NKT photonics公司生产的光子晶体光纤棒，当976 nm泵浦光180 W时，通过芯径50 μm的第一级光子晶体光纤棒放大1 030 nm激光到90 W，进入到芯径70 μm的第二级光子晶体光纤棒，当976 nm泵浦光400 W时，1 030 nm功率放大到291 W，光束质量因子小于1.2。倍频及和频晶体都采用临界相位匹配LBO，长度分别为15和20 mm，当1 030 nm激光功率为250 W时，输出343 nm皮秒UV激光功率为63 W，从红外到紫外的光光转换效率为25%。并且指出是为了不损坏器件，延长使用寿命，没有将和频晶体中的1 030和515 nm激光聚焦到最高和频效率光斑，否则光光转换效率会更高，该技术的特点是棒状光纤散热效果好，模场极大。

2011年，PIERROT S等人^[13]报道了重复频率为2 MHz时，输出1 030 nm、激光功率为10 W的MOPA放大器，通过NCPM LBO倍频和临界相位匹配LBO晶体三倍频，输出M²小于1.2的5 W皮秒UV激光，从红外到紫外的转换效率达到50%，实验装置如图3所示。

图  3  343 nm皮秒UV激光器(P=5 W)实验装置图

Figure 3.  Expertmental set-up of 343 nm UV ps lasers(P=5 W)

皮秒种子源经准直和隔离后进入光子晶体光纤(PCF)棒放大，光子晶体光纤棒^[14]长70 cm，芯径80 μm。由于皮秒种子源^[15]采用重复频率50 MHz、脉冲宽度30 ps和1 030 nm激光功率为5 W、接近衍射极限的被动锁模光纤激光器，进入光子晶体光纤棒前通过声光选单器选择需要的脉冲频率，选单后的皮秒种子光通过光子晶体光纤棒双程放大后进入长度为20 mm的LBO，通过倍频和三倍频后输出UV激光，为了不损害光子晶体光纤棒，实验中放大后的单脉冲能量限制在25 μJ，只要提高光子晶体光纤棒的损伤阈值，可以输出更高的皮秒UV激光，该装置的特点是结构简单、紧凑。

2014年，中国科学院半导体研究所的ZHANG L等人^[16]采用高功率Nd∶YAG皮秒激光， 通过新型Ⅰ类非线性晶体La₂CaB₁₀O₁₉(LCB)三倍频后得到7.8 W、355 nm紫外激光，从1 064 nm到355 nm的光光转换效率达到22%，实验装置如图4所示。

图  4  利用LCB作为非线性晶体的355 nm皮秒UV激光器实验装置图

Figure 4.  Experimental setup of 355 nm UV ps laser using LCB as a nonlinear optical crystal

Nd∶YAG皮秒激光通过聚焦镜f₁后进入Ⅰ类NCPM晶体LBO，LBO晶体尺寸为3 mm×3 mm×30 mm，双端镀1 064和532 nm增透膜，匹配角θ=90°，φ= 0°。倍频光532 nm和基频光1 064 nm经f₂一起进入和频晶体LCB，LCB也是Ⅰ类NCPM晶体，晶体尺寸为4 mm×4 mm×17.6 mm ，双端镀1 064 nm、532 nm及355 nm增透膜，匹配角θ= 49.4°，φ= 0°。 精确控制LBO和LCB的温度，当温度分别是155.3 ℃和79 ℃时，达到最高转换效率。该方案对LCB晶体进行紫外实验，扩大了紫外晶体的选择范围，但采用聚焦镜会增大UV激光的发散角。有些应用环境需要高功率的皮秒UV激光，有些应用环境也需要高峰值功率的皮秒UV激光，如皮秒激光与物质的相互作用^[17]。

2012年，北京工业大学激光工程研究院的李港课题组^[18]报道了利用激光二极管端面抽运Nd∶YVO₄激光晶体皮秒三倍频355 nm全固态紫外激光器，实验装置如图5所示。采用半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模技术及皮秒再生放大技术，对1 064 nm基波采用Ⅰ类相位匹配LBO晶体二倍频和Ⅱ类相位匹配LBO晶体三倍频，获得了稳定性好、倍频效率较高的355 nm UV激光输出。当二极管泵浦功率为5 W时，获得了脉宽为17 ps、重复频率为1 Hz、单脉冲能量为129.6 μJ的稳定三倍频UV激光输出，峰值功率达到7.6 MW。基频光到二倍频光和三倍频光的转换效率分别达到60.3％和16.6％，3 h输出单脉冲能量的抖动在0.58%以下。采用再生放大技术是获得mJ量级皮秒激光的首要选择。

图  5  再生放大器和和频结构示意图

Figure 5.  Schematic diagram of regenerative amplifier and sum frequency

2014年，中国电子科技集团公司第十一研究所的姜志兴等人^[19]报道了单脉冲能量达35 mJ的355 nm皮秒UV激光输出。皮秒种子源重复频率^[20]为100 MHz,采用

图  6  再生放大器光路示意图

Figure 6.  Schematic diagram of regenerative amplifier

新型无独立单选模块再生放大技术进行选单和再生放大，重复频率降为10 Hz，光路示意图如图6所示。

再生放大输出单脉冲能量为0.8 mJ，采用灯泵浦双棒串接和双程放大的方式，并应用了高功率密度下大能量激光放大系统的抗损伤激光技术，在重复频率10 Hz时，实现1 064 nm输出单脉冲能量239.8 mJ，从种子源nJ开始，放大倍数达到10⁸倍，峰值功率密度达40 GW/cm²以上。灯泵浦双程放大光路示意图如图7所示。

图  7  双程功率放大示意图

Figure 7.  Schematic diagram of double amplifier

放大输出脉冲宽度为15 ps，以最合理的倍频、和频及四倍频匹配方式和匹配参数进行设计和研究，使该激光器的倍频效率在50%以上。倍频、和频及四倍频光路示意图如图8所示，和频输出355 nm单脉冲能量达35 mJ，峰值功率^[21]更是高达2.3 GW。

图  8  倍频、和频及四倍频光路示意图

Figure 8.  Diagram of double frequency, third harmonic generation and fourth harmonic generation

由于输出基频光达到了百mJ量级，不需要聚焦也能达到较高紫外转换效率，所以输出紫外光发散角小于0.8 mrad。

2012年，HECKL H O^[22]等人报道了通快公司生产的TruMicro 5000系列激光器，脉冲宽度10 ps时，输出最大343 nm皮秒UV激光15 W。该激光器通过再生放大系统控制出光频率，如图9所示。出光频率控制在400～800 kHz^[23]之间，输出最大343 nm单脉冲能量37.5 μJ，对应的脉冲峰值功率为3.75 MW。该公司是世界上著名的工业激光公司，这款产品也是真正的工业激光产品，重复频率高，加工速度快，几乎能满足当前精密加工的所有要求。

图  9  通快再生放大器照片

Figure 9.  Photo of TRUMPF regengrative amplifier

2012年，BAUER D等人^[24]报道了重复频率3.5 MHz时输出功率达34.4 W的343 nm皮秒UV激光器，对应峰值功率为8.9 MW。该激光器通过碟片激光头作为增益物质和SESAM被动锁模输出脉冲宽度1.1 ps的1 030 nm激光器，实验装置示意图如图10所示。当泵浦功率为570 W时，输出1 030 nm激光145 W，通过4 mm长临界相位BBO倍频和2.5 mm长BBO三倍频输出34.4 W 343 nm UV光,从红外到UV的转换效率 为23.7%。该激光器直接锁模输出高功率和高峰值功率皮秒激光，省去了再生放大或者功率放大，但该实验须放入真空装置。碟片激光器有良好的散热结构和高掺杂浓度的Yb∶YAG及高光束质量输出，但碟片激光头泵浦系统较复杂。

图  10  343 nm皮秒UV激光器(P=34.4 W)实验装置示意图

Figure 10.  Schematic of laser setup of 343 nm UV ps lasers(P=34.4 W)

2013年，ZHU P等人^[25]报道了基于INNOSALB放大技术的高光束质量、高功率皮秒激光光源，通过设计紧凑的LBO倍频及LBO和频高效方案，在重复频率1 MHz时最大输出355 nm激光39.1 μJ。这是目前为止获得的最高UV皮秒脉冲能量全固态激光器，从红外到UV的总转换效率达46％，355 nm光束质量因子小于1.1。高的紫外转换效率得益于高光束质量基频光，基于INNOSALB放大技术可同时保持高功率和高峰值功率的高效放大，放大过程中峰值功率密度保持不变。

综上所述，来自研究机构有关皮秒UV激光

报道和激光公司皮秒UV产品如表1所示。

随着工业界和医疗界对于高功率皮秒UV激光需求的增加，许多激光科研院所和激光工业加工领域巨头都投入大量资金和人力物力研究皮秒UV激光器，如通快公司还为此成立了专门的超短脉冲研究机构(TRUMPF Scientific Lasers GmbH+Co.KG)。同时也由于高光束质量和高功率皮秒基频光激光器的发展，使得高功率皮秒UV激光已经达到了50 W量级的水平，而且这一输出记录也还在不断被打破。新型非线性晶体性能的不断提高，对高功率皮秒UV激光的稳定性和使用寿命也做出了很大贡献。但高功率皮秒UV激光技术工业化和产品化还面临许多问题：(1)高功率皮秒激光的线宽较宽，不利于窄线宽皮秒UV激光的实现，解决这一问题的方法有在皮秒锁模种子源谐振腔中加入光栅^[26]限制输出激光线宽；(2)皮秒UV激光效率有待提高。这需要精确设计UV非线性晶体的长度，提高基频光的光束质量和降低线宽；(3)非线性光学晶体的损伤问题。随着皮秒UV激光功率和峰值功率的提高，非线性晶体的光学损伤问题也越来越严重，一方面可以使用不镀膜的晶体，另一方面让皮秒激光展宽后三倍频，然后压缩脉宽。总之，随着高功率皮秒UV激光技术的进一步成熟，高功率飞秒UV激光也将逐步走出实验室，实现商品化和实用化，用于需要更高精密度的应用领域。