短波长（<300nm）、短脉宽（<1ps）激光在与物质作用过程中，以其很小的热影响作用特性，成为精密激光加工、极端科学研究的先进工具，例如在有机材料冷剥蚀、超快光谱学研究、极紫外光源产生、光参量放大器泵浦等领域有着广泛的用途。

不同于常见的355nm皮秒、纳秒紫外激光器，从1030nm红外激光的四次谐波转换而来的257nm深紫外飞秒激光，具备更高的空间分辨率和时间分辨率潜质，能够推动物质结构深层次研究和特种微纳材料制造，但其产生过程存在着谐波转换效率低、非线性晶体和镀膜易损伤等难题，一定程度制约了这种深紫外激光功率的提升和推广应用。

奥创光子在前一代10W平均功率257nm波长飞秒激光器的产品基础之上，通过一系列技术手段，将平均功率提升到了15W，并且显著改善了激光光束质量，为高精度绝热激光微加工升级了光源。

基频光光源来自奥创型号为OR-200-IR的激光器，中心波长1030nm，输出功率≥200W，重频800KHz，单脉冲能量≥250μJ，脉宽约600fs，可用激光器内置的AOM控制入射到谐波发生器的基频光功率。考虑到峰值功率较高，为了避免晶体损伤并增加后续光学元件的使用寿命，用扩束系统将红外光斑直径扩大至3mm(1/e^2)。SHG晶体选用尺寸为12×12×5mm3的LBO非线性晶体，通光面为12×12mm2，足够接收扩束后的基频光束，并镀1030nm和515nm的增透膜；该LBO晶体切割角θ=90°，φ=0°，为非临界相位匹配，通过严格控温约195℃来满足相位匹配条件。选择LBO的原因是在众多SHG晶体中其具有最高的损伤阈值，非临界相位匹配避免了空间走离现象，非线性转换效率通常更高，适用于飞秒激光的谐波转换。

图1. 基频红外光源的基本指标测量（光谱，脉宽，功率稳定性）

在上述的光路布局下，照射到LBO晶体的最大基频光峰值功率密度达6GW/c㎡，有效产生了谐波转换。经过多次微调LBO加热炉的温控来优化倍频效率，在最大注入基频光时，二倍频光经过两片515nmHR/1030nmAR镀膜的双色镜，从残余的基频光中分离出来后进入后续的高次谐波发生系统，最高绿光功率达到85.10W。测量得到的绿光光束质量和光斑形貌见图2，显然二次谐波过程并未对二倍频光束造成空间分布的影响，这就保障了后续四倍频具有良好的注入光光束质量，利于提升四倍频效率并减小光束质量的劣化。

图2. 二倍频绿光光束质量及光斑测量

在工程实践中，我们的二倍频模块对倍频效率和中低功率的相位匹配条件做了保留，重点关注高功率注入下的绿光性能，这也符合后面四倍频模块有效谐波转换的要求。处于系统稳定性的考虑，对二倍频激光功率稳定性做了长时间的监测，从实测数据看，其功率稳定性优于0.22%，8小时连续测量功率平均值84.6W（图3）。

图3. 二倍频激光功率稳定性测量

在四次谐波发生（FHG）模块中，除了兼顾谐波转换的相位匹配条件，工程化方面重点解决四倍频晶体的有效散热，缓解倍频晶体内部的热透镜效应。FHG晶体选用尺寸为10x10x0.4mm³的BBO，10×10m㎡的两通光面镀515nm和257nm的增透膜，切割角θ=50°，φ=0°，为一类相位匹配，无需加热，控制在常温300K即可。选择BBO的原因是在众多FHG晶体中CLBO和BBO具有更高的转换效率，尽管CLBO比BBO有更大的可接受带宽和更小的空间走离，但其易潮解，不是工程应用领域的最佳选项。

考虑到高峰值功率的深紫外激光在倍频晶体中存在双光子吸收(TPA)和自相位调制等非线性效应，因而限制了晶体长度，对于飞秒脉冲宜使用<1mm厚度的BBO晶体。如此薄的倍频晶体在高功率基频光输入和有效的深紫外激光转换下，晶体的线性和非线性吸收依然会引起晶体内部升温，造成的热透镜效应直接影响深紫外激光光束质量。

为了有效散热，我们在对BBO晶体的工程化封装中采取了夹层设计，使BBO晶体紧密贴在同样薄片状的两片钛宝石玻璃之间；钛宝石玻璃的热导率比BBO晶体高近乎两个数量级，能够有效传导散热，给BBO晶体降温。BBO前放置一半波片(λ/2@515nm)用来调整绿光的偏振态，BBO及钛宝石玻璃夹层结构放置于一个可以精细调节倾角的装置中，最后用两片257nmHR/515nmAR镀膜的双色镜将257nm的深紫外激光导出（图4）。

图4. 四倍频光路图

对于由绿光倍频产生257nm的BBO晶体，走离角，深紫外波长CDG=464.7（fs²/mm）的群延迟色散，有效非线性系数deff=1.7pm/V；由于选用了0.4mm长的晶体，晶体角容差=4.5mrad，可接受温度范围=136.75k，可接受角度=9mard，可接受光谱带宽=3963.5GHz。实际调试过程中，FHG的效率会随着注入515nm激光的功率而变化，因而在逐渐增加515nm激光强度的同时，适时对BBO晶体的受光角度进行微调，直至在最大绿光注入功率下保持可接受的紫外倍频效率。产品的开发并不以追求极致的单一技术指标为重点，而是强调激光器的整体性能指标；所以在微调BBO晶体角度来优化相位匹配程度的同时，检测了深紫外激光束的远场光斑分布，选取合适的受光角度来平衡倍频效率和光束质量的要求。直接输出的深紫外激光远场光斑如（图5a），光斑圆度74%，此时倍频效率（绿光-深紫外）17.7%；而后采取了柱透镜整形的措施，将远场光斑圆度提升至87%（图5b）。测得的257nm深紫外激光平均功率14.9W，6小时功率稳定性见图6。

图5. 四倍频产生的深紫外激光远场光斑：a.光束整形前; b. 光束整形后

图6. 四倍频深紫外激光功率稳定性测量

功率的缓慢衰减通过微调BBO晶体角度亦可恢复，这是由于晶体和钛宝石玻璃的温度场起伏造成的相位匹配偏移，而非倍频晶体的损伤引起。后续通过改善倍频晶体及其夹层结构的水冷模块设计，辅以改进温控程序算法，预期可保持更好的功率稳定性。

奥创光子升级的这款高平均功率深紫外飞秒激光器FLASH-DUV，平均功率近15W，单脉冲能量18.7μJ，估算峰值功率62MW。可满足激光光谱学、生物光子学等物质检测和生物大分子检测应用中对短波超短脉冲激发光源的要求。