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1、DPSSL英文全稱為 Diode Pump Solid State Laser 即，二極管泵浦固體激光 器。是近年來國際上開展最快，應(yīng)用較廣的新型激光器。該類型的激光 器利用 輸出固定 波長的半導(dǎo)體激光器代替了傳統(tǒng)的氟燈或氤燈來對激光 晶體進(jìn)行泵 浦，從而取得了嶄新的開展，被稱為第二代的激光器 DPSSL的開展與半導(dǎo)體激光器的開展是密不 可分的。1962年，第一只同 質(zhì)結(jié)碑化掾半 導(dǎo)體激光器問世，1963年,美國人紐曼就 導(dǎo) 次提出了用半 體做為固體激 光器的泵浦源的設(shè)想。但在早期，由于二極管的各項(xiàng) 性 能還很 差，作為固體激光器的泵浦源還顯得不成熟。直到 1978年量子阱 半

2、導(dǎo)體激 光 器概念的提出，以及八十年代初期 MOCVD技術(shù)的使用及應(yīng) 變量子阱激光器的出 現(xiàn)，使得LD的開展步上了一個(gè)嶄新的臺(tái)階。在進(jìn)入 九十年代以來，大功率的 LD及LD列陣技術(shù)也逐步成熟，從而，大大促進(jìn) 了 DPSSL的研究。 本文著重以二極管泵浦的固體激光器為主，先簡單介紹 LD列陣的發(fā) 展 狀 況，然 后結(jié)合筆者所接觸的各種激光器，從二極管泵浦頭的設(shè)計(jì)出 發(fā)舉 例表 達(dá)近年來出現(xiàn) 的DPSSL器件的技術(shù)特點(diǎn)和開展現(xiàn)狀。 二極管泵浦的 體激光器〔DPSSL與傳統(tǒng)等泵浦激光器的比擬具有以 下優(yōu) 勢：1 ?工作時(shí)間長。傳統(tǒng)的氟燈或氤燈壽命只有幾百小時(shí)，最長的不 超過 2000小時(shí)

3、。而用于泵浦的二極管激光器壽命高達(dá)上萬小時(shí)，從而大 大降低了使 用者的維護(hù)本錢。2低功耗。傳統(tǒng)的燈泵浦激光器的轉(zhuǎn)換效 率大約只有3%左 右，泵浦燈的發(fā)出的能量大局部轉(zhuǎn)換成了熱能，造成了 極 大的能源浪費(fèi)。而 DPSSL所用的LD發(fā)出固定的，被激光晶體吸收的 808nm波長的激光，光光轉(zhuǎn)換 效率可高達(dá)40%以上,大大減少了運(yùn)行成本。3?體積小，便于設(shè)計(jì)小型化。一 臺(tái)DPSSL激光器大約只有傳統(tǒng)燈泵浦激光器體積的1/3甚至更小，便于攜帶。 以及光光轉(zhuǎn)換效率高、光束 質(zhì)量好、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 開展?fàn)顩r及技術(shù)特點(diǎn) 1端面泵浦〔End Pump固體激光器端面泵浦方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是容易

4、獲得好的光束質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)高亮度的固體激光器。所以，對端面泵浦 的嘗試 一直也沒有停止 過。在該系統(tǒng)中，泵浦源采用 8W 的半導(dǎo)體激光 器，輸出后經(jīng) 柱狀棱鏡組整形，將光束發(fā)散角壓縮并聚焦后輸入激光晶 體。激 光晶體的靠近 泵浦源的一端面鍍 808nm 的 增透膜和 1064nm 的高 反膜。 808nm 的增透膜使泵 浦源發(fā)出的 808nm 波長的激光 進(jìn)入激光晶體 前的損耗降至最低，而 1064nm 的 高反膜與鍍有 1064nm 局部反射膜的輸 出鏡結(jié)合起來形成諧振腔，使 1064nm 的 激光產(chǎn)生振蕩放大并輸出。該 種結(jié)構(gòu)中泵浦光束激 活的晶體模體積較小，因而 一般用于功率較小的場 合

5、，如 ACI 公司設(shè)計(jì)此款激光器的目的是用于 3W 的激光 打標(biāo)機(jī)系統(tǒng) 中。但端泵的優(yōu)勢在于輸出的激 光模式較好，便于實(shí)現(xiàn) TEMOO 輸 出，在 某些功率要求不高，需要準(zhǔn)直的場合非常實(shí)用。如激光測距，電子元器 件的標(biāo)記等方面。 2 側(cè)面泵浦 〔Side Pump 固態(tài)激光器休斯航天航空實(shí)驗(yàn)室的研究人員們 側(cè)面 泵浦棒狀 Yb: 丫 AG 晶體獲得了 0.95KW 的大功率輸出。這是目前利用 半導(dǎo)體激 光器泵浦單根 Yb:YAG 所得到的最大的功率輸出。側(cè)面泵浦 (Side Pump 態(tài)激光器激光頭是由三個(gè)二極管泵浦模塊圍成一圈組成泵浦 源，每個(gè)泵浦模塊又由 3 個(gè)帶微透鏡的二極管線陣組成。

6、每個(gè)線陣的輸 了泵浦 腔和制冷通道。玻璃管的外表大局部鍍有 808nm 的高反膜，剩余 的局部呈 120 鍍。有三條 808nm 增透膜，這樣便形成了一個(gè)泵浦腔。二 極管泵浦源發(fā)出的光 經(jīng)過三對光束整形透鏡會(huì)聚到這三條鍍增透膜的狹 長區(qū)域內(nèi)，然后透過玻 璃管 的管壁，被晶體吸收。由于玻璃管大局部區(qū)域 鍍有高反膜 使得泵浦 光進(jìn)入泵 浦腔以后，便在其中來回的反射，直至被 晶體充分地吸收，而且 在晶體的橫截 面上形成了均勻的增益分布。同時(shí) 玻璃管還能用于制冷，高 速通過的冷 卻水 將產(chǎn)生的熱量迅速帶走。晶體 出功率 平均為 20W 輸出波長為 808nm o 該裝置采用玻璃管巧妙地設(shè)計(jì) 采用的是

7、一根復(fù)合結(jié)構(gòu)的 Nd:YAG 棒，有效尺寸 為 j3*63mm, 摻雜濃度為 1.5at.%. 當(dāng)泵浦光功率為 180W B 寸，得到了 72W 的 激光 輸出。光光轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 40%o 3 薄片激光器 〔Thin Disc Pump 薄片激光器是集端面泵浦與側(cè)面泵浦 的 優(yōu)點(diǎn) 于一身的一種新型的固體激光器設(shè)計(jì)方案。由德國航空航天研究院 技術(shù)物理所 的研 究人員們首次提出。它的根本概念是用光纖耦合輸出的 半導(dǎo)體激光器作泵 浦源對非常薄的晶體進(jìn)行端面泵浦，使泵浦光在幾百 微米的晶體薄片中屢次經(jīng) 過，同時(shí)使熱梯度的分布方向與激光束的傳播 方向相同。新的泵浦設(shè)計(jì)中用一 個(gè)拋物面成像反 射鏡代替了

8、原來的 4 個(gè)球面成像反射鏡，使得泵浦光在晶體中 經(jīng)過的次 數(shù)由原來的 8 次增加到 16 次。采用 改良后的泵浦結(jié)構(gòu)，在室溫下，用 24W 的連續(xù)激光泵浦，用 j3O2 的 Nd:YAG 晶體薄片，得到了 10W 的 TEMOO 連續(xù)光輸出，光光效率為 41.7%o 這種薄片激光器具有按比例功率 放大的特性，將多個(gè)薄片晶體級(jí)聯(lián)在同一個(gè)熱沉上，可有望得到光束近 衍射極 限的，高效率的千瓦級(jí)全固態(tài)固體激光器。這種 激光器輸出的光 學(xué)質(zhì)量介于端 面泵浦和側(cè)面泵浦之間，可得到較高的輸出功率和較好的 光學(xué)模式。但是這種 激光器的設(shè)計(jì)和調(diào)試較為困難，因而不為大多數(shù)的 激光公司所采用。 4 光纖激光器光

9、纖激光器是最近幾年由光通訊行業(yè)中的光放大器演變 而來的。其一推出即引起了業(yè)界的震動(dòng)，其良好的光學(xué)質(zhì)量，較高的輸 出功 率，超長的壽命及無需維護(hù)的特點(diǎn)獲得了眾多公司的矚目。其嚴(yán)格 來說，屬于 端面泵浦的一種?，F(xiàn)代高功率光纖激光器的泵浦源是高功率 的多模二 極管，通 過一個(gè)圍繞著單模纖心的雙包 層來實(shí)現(xiàn)。在二十世紀(jì) 七十年代，以一個(gè)單模光 纖激光器來替代固體激光器或?qū)拵?半導(dǎo)體激光 二極管的多模 發(fā)射輸出的想法 被首次提出。在簡單的雙包層光纖結(jié)構(gòu) 中，一個(gè)軸向的單模玻璃纖心被摻入人 們所期望的激光離子，如釧、餌、 鎰、鉉等。 核心光纖被一層直徑幾倍于它的不摻雜的玻璃包層所包圍 具有更 低的折射率。

10、 接下來是內(nèi)部的泵浦包層，被更外一層不摻雜的玻璃包層所覆蓋，同 樣具 有更低 折射率。在這種光纖結(jié)構(gòu)中，多模二極管泵浦光通過一個(gè)復(fù) 合光纖 的終端面射入泵 浦包層，通過光纖結(jié)構(gòu)傳播，周期性地穿越摻雜質(zhì) 的單 模 光纖核心，并在核心光纖中產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 IPG 激光部門〔現(xiàn)在為 IPG Photonics 的分支機(jī)構(gòu)研制出一種更先進(jìn) 的 全加固側(cè) 面并行泵浦光纖激光器。它包括一個(gè)主動(dòng)光纖，這種光纖具有 可以和其他光學(xué)元件或增益級(jí)自由熔結(jié)的多面體結(jié)構(gòu)，從而使泵浦光可 從多點(diǎn)注 入包層成為可能。這樣一種簡單的光纖輸出功率的按比例縮放 量的衍射極限 10 瓦級(jí)包層泵浦光纖激光器由 IPG

11、 Photonics 推向市場。 控制成為可行。其他的側(cè)泵浦技術(shù)還有 V 槽耦合。 1996 年，具有工業(yè)質(zhì) Polaroid 公司〔劍橋 , MA 、Spectra Diode 實(shí)驗(yàn)室〔現(xiàn)在的 JDS Uniphase 以及 Spectra Physics 不 久也介紹了類似的激光器。耦合多個(gè) 100 瓦級(jí)光纖 激光 器的 輸出功率可以很好地提升光纖激光器的輸出功率到一個(gè)更高的級(jí)別。 比方說 ,7 個(gè) 100 瓦級(jí)光纖激光器輸出的光束通過 7 個(gè)單模光纖傳送 30 米以上的距離，然后在 一條多芯光纖波束耦合器中被合成，輸出一個(gè)直 徑 80 pm 發(fā)，散角小于 40 mrad 的波束。這相當(dāng)

12、于一個(gè)輸出光束參數(shù) 1? 6 mm mrad 的激光 700 瓦的耦合輸出 功 率可以以一束強(qiáng)烈的激光作用在工 件上，每平方厘米可達(dá)高于 50 千瓦的功率。 比擬而言，一個(gè)二極管泵浦 固態(tài)激光器典 型的光束參數(shù) 10mm mrad, 輸出功率密 度也只 有光纖激光器 的 50 分之一。 700 瓦級(jí)的光纖激光器大小為 55 X60X95cm3 ＞量為120千克。這種形式的激光器能夠根據(jù)需要的功率，將光纖加長，因而可 以達(dá) 到很高的功率。但其有一個(gè)致命的弱點(diǎn)就是單脈沖能量不高，這使得光 纖 激光器的應(yīng)用領(lǐng) 域受到了一定的限制。目前，世界各國都把如何提高 光纖激光 器的單脈沖 能量作為一個(gè)重點(diǎn)的研發(fā)課題?？?結(jié)本文著重從 實(shí)驗(yàn)裝置和原理的 角度出發(fā) , 描述了近年來出現(xiàn)的幾種半導(dǎo)體泵浦的固 體激光器的核心部件 ?激光 頭的技術(shù)特點(diǎn)。高功率，高亮度的 DPSSL- 直是國內(nèi)外激光領(lǐng)域里的前沿課 題。 目前，國外千瓦級(jí) DPSSL 系統(tǒng)已有諸多報(bào)道，日本還預(yù)計(jì)將在 2005 年 實(shí)現(xiàn) 輸出平均功率 $10KW 電, 光效率 $20% 激光頭的尺寸 W0.05m3 的 高功率 全固態(tài)激 光器。國內(nèi)的 DPSSL 開展相對落后，但隨著近年來，我 國大功率 LD 及 LD 列陣 制作工藝的逐 步成熟 , DPSSL 必將有更加蓬勃的 開展。