在81 MHz频率下，实现高重复频率（2.4 W）的2.4微秒脉冲、213纳米深紫外光生成

《Optics & Laser Technology》：High-repetition-rate 2.4 W picosecond 213 nm deep ultraviolet light generation at 81 MHz

高功率213nm紫外光通过CLBO晶体1+4和频方案生成，功率达2.4W@81MHz，转换效率68%，束质M2_x=1.24，M2_y=1.34，脉冲稳定性RMS 2.67%。

　　这项研究报道了一种基于铯锂硼酸盐（CLBO）晶体的深紫外（DUV）激光源，成功实现了在81 MHz重复频率下2.4 W的213 nm输出功率。这种高功率、高重复率的DUV激光源在半导体加工和材料研究等领域具有重要的应用潜力。通过采用“1+4”方案，即利用1064 nm基频激光与其四阶谐波266 nm激光的和频效应，研究人员实现了213 nm波长的激光输出。CLBO晶体因其在角度和温度相位匹配方面的宽接受带宽，成为实现这一目标的理想材料。

在实验中，为了提高谐波生成的稳定性和晶体的使用寿命，CLBO晶体被维持在150℃的恒定温度下。这种温度控制策略有助于减少激光系统在长时间运行中的性能波动，确保激光输出的可靠性。此外，研究人员采用了一种优化的分离聚焦设计，有效提升了从266 nm到213 nm的转换效率，达到了68%的高水平，这是目前在皮秒时间尺度上实现的最高转换效率之一。这表明，通过合理的光学设计和晶体选择，可以显著提高DUV激光的生成效率。

在光束质量方面，该系统在2.4 W输出功率下，X方向和Y方向的M2因子分别为1.24和1.34。M2因子是衡量激光光束质量的重要参数，其数值越小，表示光束越接近理想高斯分布，传输效率和聚焦能力越高。这一结果表明，该系统不仅在输出功率上表现出色，而且在光束质量方面也达到了较高的标准，这为实际应用提供了良好的基础。同时，研究人员还对光束指向稳定性进行了测量，结果分别为15 μrad和26 μrad，显示出良好的光束稳定性和控制能力。

与传统的基于BBO晶体的213 nm激光系统相比，CLBO晶体在相位匹配和温度适应性方面具有明显优势。尽管BBO晶体在非线性系数和损伤阈值方面表现更优，但其较强的紫外吸收和较大的走离角限制了其在高转换效率和良好光束质量方面的应用。相比之下，CLBO晶体的宽接受带宽使其在相位匹配和温度控制方面更加灵活，从而能够实现更稳定的激光输出。此外，CLBO晶体的制造和加工相对容易，这也降低了系统的复杂性和成本。

为了进一步提升系统的性能，研究人员采用了圆柱透镜作为光束整形系统，以优化光束的传输和聚焦特性。这种设计不仅有助于提高光束质量，还能减少光束在传输过程中的散射和畸变。在实际应用中，高功率、高重复率和良好的光束质量是实现高效加工和高精度测量的关键因素。因此，该系统的开发为相关领域的研究和应用提供了重要的技术支持。

在实验过程中，研究人员还对系统的长期稳定性进行了测试。在1 W输出功率下，经过9小时的监测，脉冲能量的均方根（RMS）波动仅为2.67%，这表明系统在长时间运行中能够保持较高的输出稳定性。这种稳定性对于需要长时间连续工作的应用场景尤为重要，如半导体制造和高精度材料分析。此外，系统的光束指向稳定性也达到了较高的水平，进一步证明了其在实际应用中的可靠性。

为了实现高功率输出，研究人员采用了一种单次通过的方案，使激光系统更加紧凑和高效。这种设计不仅减少了系统的体积，还提高了其运行效率，使其更适用于实验室和工业环境。在实际应用中，高功率的DUV激光可以用于微加工、光刻和材料表征等任务，这些任务通常需要高能量密度和高精度的光束控制。因此，该系统的开发为这些领域的研究和应用提供了新的可能性。

此外，该研究还强调了在多兆赫兹重复率下的DUV激光源的潜在需求。高重复率不仅能够提高信号与噪声比，还能增强数据统计量和光束流密度，这对于高精度测量和快速加工具有重要意义。例如，在半导体制造中，高重复率的激光可以用于快速、高效的微结构加工，提高生产效率和产品质量。而在高分辨率光谱分析中，高重复率的激光可以提供更丰富的数据，有助于更深入的研究。

综上所述，这项研究通过优化CLBO晶体的使用和光束整形设计，成功实现了高功率、高重复率和良好光束质量的213 nm DUV激光源。该系统的开发不仅推动了非线性光学领域的发展，也为半导体加工、材料研究和光谱分析等应用提供了新的技术支持。未来，随着对高功率DUV激光需求的不断增加，这种基于CLBO晶体的系统有望在更多领域得到应用和推广。