全固态紫外激光器的发展和应用是当前最引人关注的亮点之一。全固态紫外激光器与传统的准分子紫外激光器相比较,具有光束质量好、体积小、效率高、寿命长、无毒、不需要更换特殊气体、价格便宜等许多优点。由于红外或可见光激光依靠局部集中加热使物质融化或气化的方式进行加工,属于“热加工”范畴,这种热作用使材料变形并且在切割或钻孔的边缘上产生炭化形式的损伤,所以加工出的产品往往很难达到精细、光滑的效果,而且对陶瓷和晶片等材料加工时容易引起碎裂。而紫外激光高能量光子直接打断材料化学键,属于“冷加工”范畴,紫外光束与材料相互作用产生光子消融过程,避免了长波长激光加工引起的热致缺陷和不足,特别有利于SiC、GaN等宽带隙半导体材料、碳聚合物和ITO薄膜等材料的精细加工。目前在德国、美国和日本等工业发达国家,紫外激光器已成为工业用标准激光器,平均功率在5-10W的355nm紫外激光器已经达到实用化水平,成为激光划片、宽带隙半导体材料打标、微细钻孔等激光加工的最理想激光光源。全固态紫外激光器目前已经在半导体工业、材料制备、全光光学器件制作、集成电路板及生物工程等领域中获得了广泛的应用。本文以全固态激光器为载体,从理论和实验上系统研究了激光二极管(LD)端面泵浦和侧面泵浦Nd:YAG激光模块腔内三倍频355nm紫外光的输出特性。对LD端面泵浦腔内三倍频紫外激光器,在小信号近似和大信号情况下分别建立了相应的速率方程组对实验工作进行指导；对LD侧面泵浦大功率模块腔内三倍频紫外激光器,比较分析了不同倍频晶体(普通KTP晶体(C-KTP),抗灰迹KTP晶体(GTR-KTP)和LBO晶体)对紫外光输出的影响,确定了最佳的倍频晶体与和频晶体的组合；采用复合腔结构,在腔内加入二次谐波和三次谐波镜,大大提高了三次谐波的转换效率；在实验的基础上,研制了一套5W大功率355nm紫外光加工系统(ICM-UV-I);进一步将紫外加工系统应用于宽带隙半导体材料SiC晶片打标以及GaN基LED的表面粗化,并对结果进行了相应的测试分析,研究结果表明：该系统能够满足SiC晶片打标等工业激光加工的要求；表面粗化之后大大提高了LED的光提取效率,该技术可推广应用于其他Ⅲ-Ⅴ族半导体材料LED的粗化,极大的拓展了紫外激光器的应用范围。具体内容如下：1.考虑腔内非线性频率转换过程,给出了小信号近似和大信号情况下描述腔内三倍频激光运转特性的速率方程组,包括声光调Q和被动调Q腔内三倍频频率变换。通过对速率方程组进行数值求解可以对三次谐波的输出特性进行理论上的模拟,对腔内三倍频实验研究具有一定的理论指导意义。(第二章)2.分别实现了LD端面泵浦Nd:YVO4、Nd:YAG晶体声光主动调Q腔内三倍频紫外激光运转,比较了在腔内加入和不加入二次谐波镜M2两种情况下紫外光的输出特性；测量了不同重复频率下紫外光的输出特性,确定了最佳重复频率,并测量了最佳重复频率下的平均功率、脉冲宽度、功率稳定性及光强分布；利用声光主动调Q腔内三倍频速率方程模型对实验结果进行了理论模拟,理论计算值和实验结果相符合。(第三章)3.实现了结构紧凑的LD端面泵浦Nd:YAG/Cr4+:YAG键合晶体被动调Q腔内三倍频紫外激光运转,测量了不同泵浦功率下平均功率、脉冲宽度、重复频率、功率稳定性及光强分布；同时利用被动调Q腔内三倍频速率方程模型对实验结果进行了理论模拟,理论计算值和实验结果相符合。(第三章)4.对LD侧面泵浦大功率Nd:YAG激光模块在1.06μm和1.3μm处基频光输出特性进行了测试,比较了C-KTP、GTR-KTP和LBO晶体用于腔内倍频绿光的性能差异；采用LBO晶体倍频,实现了大功率腔内倍频红光输出。(第四章)5.实现了大功率Nd:YAG激光模块声光主动调Q腔内三倍频紫外光输出,比较了采用C-KTP、GTR-KTP和LBO(Ⅰ类相位匹配)作为倍频晶体,LBO和CBO晶体(Ⅱ类相位匹配)作为和频晶体时紫外光的输出特性,选择了最佳的倍频与和频晶体的组合-C-KTP+LBO晶体；采用复合腔结构,大大提高了三次谐波的转换效率；确定了大功率Nd:YAG激光模块腔内三倍频的最佳重复频率,并测量了最佳重复频率下平均功率、脉冲宽度、稳定性及光强分布等输出特性。(第四章)6.在获得7.8W大功率355nm紫外激光输出的基础上研制了一套功率输出为5W的TEMo0模、高稳定的全固态355nm紫外光加工系统(ICM-UV-I机型),简单介绍了系统的电路、水路连接以及激光扫描振镜等基本结构参数,给出了系统输出功率、稳定性、扫描速度等整体参数指标；将该系统应用于宽带隙半导体SiC晶片的打标,对打标的深度、宽度、字符大小等参数进行了测试,并与国外先进厂商的仪器参数进行了对比,对比说明我们的系统已经达到了工业打标的要求；利用该系统实现了GaN基LED的表面粗化,对粗化前后器件的光致发光(PL)和电致发光(EL)特性进行了测试,通过对相应结果的分析,证实光的总体提取效率提高了34.9%；该技术可推广应用于其他Ⅲ-Ⅴ族半导体材料LED的表面粗化,极大的拓展了紫外激光器的应用范围。(第五章)本论文的主要创新工作归结如下：1.给出了小信号近似和大信号情况下腔内三倍频的速率方程组,并对声光主动调Q及被动调Q腔内三倍频频率转换进行了相应的理论计算,模拟了三次谐波的输出特性；2.在谐振腔内加入二次和三次谐波镜,构成复合腔结构,大大提高了腔内三次谐波的转换效率；采用普通KTP晶体倍频、Ⅱ类相位匹配的LBO和频,利用简单的直腔结构,实现了7.8W大功率腔内三倍频355nm紫外光输出；3.试制了一台5W的大功率355nm紫外加工系统,将该系统成功用于SiC晶片打标加工；4.首次利用355nm紫外激光器对GaN基LED进行表面粗化,有效的提高了LED的光提取效率,并且该技术可以推广应用到其他Ⅲ-Ⅴ族半导体材料LED的粗化,极大拓展了紫外激光器的应用范围。
