半導體泵浦固體激光

DPSS激光是一種擁有長壽命、低功耗、高穩(wěn)定性、光束質(zhì)量好、能夠小型化等多種優(yōu)勢的新一代固體激光器，DPSS激光器已經(jīng)被運用在光纖通信、空間通訊、環(huán)境科學、大氣研究、激光打印、醫(yī)療器械、光學圖象處理等多個高科技領域。

這是一種新型激光器，應用層面比較廣，近年在國際上發(fā)展很快。它使固體激光有了全新的發(fā)展，因此又稱為“第二代激光器”。

半導體激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激發(fā)，在1970年實現(xiàn)室溫下連續(xù)發(fā)射。后來經(jīng)過改良，開發(fā)出雙異質(zhì)接合型激光及條紋型構(gòu)造的激光二極管（Laser diode）等，廣泛使用于光纖通信、光盤、激光打印機、激光掃描器、激光指示器（激光筆），是目前生產(chǎn)量最大的激光器。

在基本構(gòu)造上，它屬于半導體的P-N接面，但激光二極管是以金屬包層從兩邊夾住發(fā)光層（活性層），是“雙異質(zhì)接合構(gòu)造”。而且在激光二極管中，將界面作為發(fā)射鏡（共振腔）使用。在使用材料方面，有鎵(Ga)、砷(As)、銦(In)、磷(P)等。此外在多重量子井型中，也使用Ga·Al·As等。

由于具有條狀結(jié)構(gòu)，即使是微小電流也會增加活性區(qū)域的居量反轉(zhuǎn)密度，優(yōu)點是激發(fā)容易呈現(xiàn)單一形式，而且，其壽命可達10~100萬小時。

激光二極體的優(yōu)點是效率高、體積小、重量輕且價格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也達到數(shù)%~25%，總而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的連續(xù)輸出波長涵蓋了紅外到可見光范圍，而光脈沖輸出達50W（帶寬100ns）等級的產(chǎn)品也已商業(yè)化，作為激光雷達或激發(fā)光源可說是非常容易使用的激光的例子。 2100433B

半導體泵浦固體激光（英語：Diode Pump Solid State Laser，DPSS Laser），是一種新型激光器，應用層面比較廣，近年在國際上發(fā)展很快。

半導體泵浦固體激光的激光器利用半導體激光器輸出固定波長的激光作為泵浦源，替代了以往用氪燈或氙燈泵浦激光晶體，并且它們通常出現(xiàn)在綠色和其他顏色等的激光筆中。

激光二極管是一種激光產(chǎn)生器，其工作物質(zhì)是半導體，屬于固體激光產(chǎn)生器，大部分激光二極管在結(jié)講上與一般二極管相似。由于激光二極管的運作中，電子的能量轉(zhuǎn)變過程只涉及兩個能階，沒有間接帶隙造成的能量損失，所以效率相對高。能發(fā)光的半導體電子元件，透過三價與五價元素所組成的復合光源。此種電子元件早在1962年出現(xiàn)，早期只能夠發(fā)出低光度的紅光，被惠普買下專利后當作指示燈利用。及后發(fā)展出其他單色光的版本，時至今日，能夠發(fā)出的光已經(jīng)遍及可見光、紅外線及紫外線，光度亦提高到相當高的程度。用途由初時的指示燈及顯示板等；隨著白光發(fā)光二極管的出現(xiàn)，近年逐漸發(fā)展至被普遍用作照明用途。

半導體泵浦固體激光器的發(fā)展與半導體激光器的發(fā)展是密不可分的。1962年，第一只同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導體激光器問世，1963年，美國人紐曼就首次提出了用半導體做為固體激光器的泵浦源的構(gòu)想。但在早期，由于二極管的各項性能還很差，作為固體激光器的泵浦源還顯得不成熟。直到1978年量子阱半導體激光器概念的提出，以及八十年代初期MOCVD 技術(shù)的使用及應變量子阱激光器的出現(xiàn)，使得半導體泵浦固體激光器的發(fā)展步上了一個嶄新的臺階。在進入九十年代以來，大功率的半導體泵浦固體激光器及半導體泵浦固體激光器列陣技術(shù)也逐步成熟，從而，大大促進了半導體泵浦固體激光器的研究。

國內(nèi)半導體泵浦固體激光器市場化水平已經(jīng)達到數(shù)百瓦，實驗室水平已經(jīng)達到千瓦級。在應用上，大功率半導體泵浦固體激光器以材料加工為主，包括了常規(guī)的激光加工：主要是材料加工，如激光標記、激光焊接、激光切割和打孔等，結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好、工作可靠的大功率半導體泵浦固體激光打標機產(chǎn)品系列已經(jīng)在國內(nèi)得到了規(guī)模應用，在國外，千瓦級的半導體泵浦固體激光器已有產(chǎn)品，德國、美國汽車焊接就已經(jīng)用到了千瓦級半導體泵浦固體激光焊劑機，在原理和技術(shù)方案上半導體泵浦固體激光器定標到萬瓦都是可行的，主要受限于成本和市場需求的限制。二倍頻半導體泵浦固體激光器在微電子行業(yè)、三倍頻半導體泵浦固體激光器在激光快速成型領域都得到了廣泛應用。

除材料加工外，大功率半導體泵浦固體激光器還可以用于同位素分離（二倍頻、綠光）、激光核聚變、科學研究、醫(yī)療、檢測、分析、通訊、投影顯示以及軍事國防等領域，具有極其重要的應用價值。

半導體泵浦固體激光器的種類很多，可以是連續(xù)的、脈沖的、調(diào)Q的，以及加倍頻混頻等非線性轉(zhuǎn)換的。工作物質(zhì)的形狀有圓柱和板條狀的。而泵浦的耦合方式可分為端面泵浦和側(cè)面泵浦，其中端面泵浦又可分為直接端面泵浦和光纖耦合端面泵浦兩種結(jié)構(gòu)。

1、端面泵浦固體激光器

端面泵浦方式最大的優(yōu)點就是容易獲得好的光束質(zhì)量，可以實現(xiàn)高亮度的固體激光器。端面泵浦的效率較高。這是因為,在泵浦激光模式不太差的情況下，泵浦光都能由會聚光學系統(tǒng)耦合到工作物質(zhì)中，耦合損失較少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而產(chǎn)生的振蕩光的模式與泵浦光模式有密切關系，匹配的效果好，因此，工作物質(zhì)對泵浦光的利用率也相對高一些。

正是由于端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波長匹配的優(yōu)點在國際上發(fā)展極為迅速，已成為激光學科的重點發(fā)展方向之一。它在激光打標、激光微加工、激光印刷、激光顯示技術(shù)、激光醫(yī)學和科研等領域都有廣泛的用途，具有很大的市場潛力。

2、側(cè)面泵浦固體激光器

側(cè)面泵浦（Side Pump）固態(tài)激光器激光頭是由三個二極管泵浦模塊圍成一圈組成泵浦源，每個泵浦模塊又由3個帶微透鏡的二極管線陣組成。每個線陣的輸出功率平均為20W輸出波長為808nm。該裝置采用玻璃管巧妙地設計了泵浦腔和制冷通道。玻璃管的表面大部分鍍有808nm的高反膜，剩余的部分呈120°鍍有三條808nm增透膜，這樣便形成了一個泵浦腔。半導體泵浦源發(fā)出的光經(jīng)過三對光束整形透鏡會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。由于玻璃管大部分區(qū)域鍍有高反膜，使得泵浦光進入泵浦腔以后，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。晶體采用的是一根復合結(jié)構(gòu)的Nd:YAG棒，有效尺寸為j3*63mm，摻雜濃度為1.5at.%.當泵浦光功率為180W時，得到了72W的激光輸出。光光轉(zhuǎn)換效率高達40%。

1、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)出的能量大部分轉(zhuǎn)換成了熱能，造成了極大的能源浪費。而半導體泵浦固體激光器所用的二極管發(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40%以上，大大減少了運行成本。

2、性能可靠、壽命長：激光二極管的壽命大大長于閃光燈，達15000小時以上，閃光燈的壽命只有300—1000小時。激光半導體的泵浦能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個能量級，性能可靠，可制成全固化器件。運行壽命長，成為至今為止唯一無需維護的激光器，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。

3、輸出光束質(zhì)量好：由于半導體泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率，減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效應，大大改善了激光器的輸出光束質(zhì)量，激光光束質(zhì)量已接近理論極限。