半導(dǎo)體泵浦固體激光簡介

半導(dǎo)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(yīng)用層面比較廣，近年在國際上發(fā)展很快。

半導(dǎo)體泵浦固體激光的激光器利用半導(dǎo)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。

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(shì)的新一代固體激光器，DPSS激光器已經(jīng)被運(yùn)用在光纖通信、空間通訊、環(huán)境科學(xué)、大氣研究、激光打印、醫(yī)療器械、光學(xué)圖象處理等多個(gè)高科技領(lǐng)域。

這是一種新型激光器，應(yīng)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”。

激光二極管是一種激光產(chǎn)生器，其工作物質(zhì)是半導(dǎo)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(yùn)作中，電子的能量轉(zhuǎn)變過程只涉及兩個(gè)能階，沒有間接帶隙造成的能量損失，所以效率相對(duì)高。能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件，透過三價(jià)與五價(jià)元素所組成的復(fù)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(dāng)作指示燈利用。及后發(fā)展出其他單色光的版本，時(shí)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(dāng)高的程度。用途由初時(shí)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(dǎo)體激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激發(fā)，在1970年實(shí)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(jī)、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(dǎo)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(huì)增加活性區(qū)域的居量反轉(zhuǎn)密度，優(yōu)點(diǎn)是激發(fā)容易呈現(xiàn)單一形式，而且，其壽命可達(dá)10~100萬小時(shí)。

激光二極體的優(yōu)點(diǎn)是效率高、體積小、重量輕且價(jià)格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也達(dá)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(dá)50W（帶寬100ns）等級(jí)的產(chǎn)品也已商業(yè)化，作為激光雷達(dá)或激發(fā)光源可說是非常容易使用的激光的例子。 2100433B

半導(dǎo)體泵浦固體激光器的發(fā)展與半導(dǎo)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(dǎo)體激光器問世，1963年，美國人紐曼就首次提出了用半導(dǎo)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(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)，使得半導(dǎo)體泵浦固體激光器的發(fā)展步上了一個(gè)嶄新的臺(tái)階。在進(jìn)入九十年代以來，大功率的半導(dǎo)體泵浦固體激光器及半導(dǎo)體泵浦固體激光器列陣技術(shù)也逐步成熟，從而，大大促進(jìn)了半導(dǎo)體泵浦固體激光器的研究。

國內(nèi)半導(dǎo)體泵浦固體激光器市場(chǎng)化水平已經(jīng)達(dá)到數(shù)百瓦，實(shí)驗(yàn)室水平已經(jīng)達(dá)到千瓦級(jí)。在應(yīng)用上，大功率半導(dǎo)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(biāo)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(dǎo)體泵浦固體激光打標(biāo)機(jī)產(chǎn)品系列已經(jīng)在國內(nèi)得到了規(guī)模應(yīng)用，在國外，千瓦級(jí)的半導(dǎo)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(jí)半導(dǎo)體泵浦固體激光焊劑機(jī)，在原理和技術(shù)方案上半導(dǎo)體泵浦固體激光器定標(biāo)到萬瓦都是可行的，主要受限于成本和市場(chǎng)需求的限制。二倍頻半導(dǎo)體泵浦固體激光器在微電子行業(yè)、三倍頻半導(dǎo)體泵浦固體激光器在激光快速成型領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

除材料加工外，大功率半導(dǎo)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(xué)研究、醫(yī)療、檢測(cè)、分析、通訊、投影顯示以及軍事國防等領(lǐng)域，具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。

半導(dǎo)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(diǎn)就是容易獲得好的光束質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)高亮度的固體激光器。端面泵浦的效率較高。這是因?yàn)?在泵浦激光模式不太差的情況下，泵浦光都能由會(huì)聚光學(xué)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(guān)系，匹配的效果好，因此，工作物質(zhì)對(duì)泵浦光的利用率也相對(duì)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(diǎn)在國際上發(fā)展極為迅速，已成為激光學(xué)科的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。它在激光打標(biāo)、激光微加工、激光印刷、激光顯示技術(shù)、激光醫(yī)學(xué)和科研等領(lǐng)域都有廣泛的用途，具有很大的市場(chǎng)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(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。每個(gè)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(shè)計(jì)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(gè)泵浦腔。半導(dǎo)體泵浦源發(fā)出的光經(jīng)過三對(duì)光束整形透鏡會(huì)聚到這三條鍍?cè)鐾改さ莫M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(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。晶體采用的是一根復(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時(shí)，得到了72W的激光輸出。光光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)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(fèi)。而半導(dǎo)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(dá)40%以上，大大減少了運(yùn)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(dá)15000小時(shí)以上，閃光燈的壽命只有300—1000小時(shí)。激光半導(dǎo)體的泵浦能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個(gè)能量級(jí)，性能可靠，可制成全固化器件。運(yùn)行壽命長，成為至今為止唯一無需維護(hù)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(dǎo)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(yīng)，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。