半導體泵浦固體激光器簡介

該類型的激光器利用輸出固定波長的半導體激光器代替了傳統(tǒng)的氪燈或氙燈來對激光晶體進行泵浦，從而取得了嶄新的發(fā)展，被稱為第二代的激光器。這是一種高效率、長壽命、光束質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊小型化的第二代新型固體激光器，已在空間通訊，光纖通信，大氣研究，環(huán)境科學，醫(yī)療器械，光學圖象處理，激光打印機等高科技領(lǐng)域有著獨具特色的應用前景。

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(lǐng)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(lǐng)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(guān)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(lǐng)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(shè)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。

1、采用半導體泵浦源和德國高速標記振鏡頭，光電轉(zhuǎn)化效率高、光束質(zhì)量好。

2、采用全數(shù)字化激光標記和獨特的激光選模及深雕技術(shù)，確保了設(shè)備具有極高的穩(wěn)定性、精確性和友好的操作性。并可選配自動測焦和調(diào)焦系統(tǒng)，滿足多樣化打標需求。

3、周到的防護設(shè)計：缺水保護，激光諧振腔光路和激光腔腔體雙重密封，防潮裝置，防長出光裝置。

4、多樣的外圍裝置設(shè)計：自動上、下料系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)標記轉(zhuǎn)臺，排風除塵系統(tǒng)，激光防護罩及燈光警示裝置。

5、光路預覽功能，焦點指示功能：在激光的光軸上疊加了可見紅光，用于指示激光束的位置，實現(xiàn)對打標范圍的預覽。增加了指示對焦紅光，直觀方便的實現(xiàn)了對焦功能。

典型波長：635 nm，650 nm，660 nm，670 nm，690 nm，780 nm，830 nm，860 nm，915 nm，940 nm及1064 nm，1310 nm，1480 nm，808 nm,532 nm. 在工業(yè)激光設(shè)備中應用最多的波長的半導體激光器是。1064 nm,532 nm,808 nm等波長段的。

1 .高功率端面泵浦固體激光器存在的問題

在高功率端面泵浦固體激光器中，激光晶體吸收泵浦光而產(chǎn)生的熱效應，對于激光器的穩(wěn)定性、輸出功率及效率、光束質(zhì)量等有著直接影響，這使得端面泵浦設(shè)計存在高功率擴展問題。

但是熱效應所產(chǎn)生的直接后果--熱透鏡效應和退偏，在很大程度上可通過優(yōu)化腔設(shè)計加以消除。近年來就發(fā)展了很多用于提高輸出功率的技術(shù)，如兩路耦合，高功率泵浦源，多個泵浦源光纖捆匝，多個增益介質(zhì)的多端面泵浦等等。這些技術(shù)相結(jié)合促進了端面泵浦固體激光器的發(fā)展。

2 .幾種高功率端面泵浦固體激光器的介紹

①國內(nèi)的高功率端面泵浦固體激光器

雙端泵浦雙 Nd∶YVO4 激光器：

在適于激光二極管泵浦的眾多激光晶體中, Nd∶YVO4 晶體因在 1064nm 處的受激發(fā)射截面大,在 808nm處的吸收系數(shù)高,以及吸收譜線寬等參數(shù)均優(yōu)于其它現(xiàn)有的晶體材料,而倍受人們的關(guān)注[1]。

為了提高固體激光器的輸出功率可以利用多個激光晶體串接的方式。多棒串接實際上是光束相干合成的一種技術(shù)方案,其優(yōu)點是輸出功率可與棒數(shù)成比例的增加[2], 獲得更大的模體積[3,4]和高的光－光轉(zhuǎn)換效率。研究也同時表明,采用平行平面腔結(jié)構(gòu),整個系統(tǒng)可以得到與棒數(shù)成比例的激光輸出,且不會降低光束質(zhì)量,將兩根或多根 Nd:YAG 晶體串接起來使用,增加了工作物質(zhì)的長度,獲得了更大的模體積,從而得到了高功率的輸出[5]。

雙Nd∶YVO4 晶體激光器,將晶體的端面鍍膜作為諧振腔的端面鏡,構(gòu)成了平行平面諧振腔。對平行平面諧振腔等效腔進行理論分析后得出激光晶體吸收泵浦光產(chǎn)生的熱透鏡效應對保持腔的穩(wěn)定性起到了重要的作用，使得等效腔迅速達到其幾何的穩(wěn)定腔[6]，在發(fā)展輸出功率為數(shù)百瓦至數(shù)千瓦量級的高功率固體激光器中,常采用多棒串接的技術(shù)方案。

在國內(nèi)首次進行了雙端泵浦雙 Nd∶YVO4 激光器的實驗研究,在抽運功率為 20.74W 時獲得了 11W 的 1064nm TEM00 模激光輸出,其光-光轉(zhuǎn)化效率約為 53% 。

二極管端面泵浦混合腔Nd:YVO4 板條激光器：

近年來關(guān)于端面泵浦固體激光器的研究熱點之一，是如何有效地對激光晶體進行冷卻，降低熱效應的影響，從而在得到高功率的激光輸出的同時，又保證好的光束質(zhì)量。在眾多的研究工作中，采用了板條或者薄片狀的激光晶體，由于對其進行大面積的冷卻的方法，取得了令人矚目的成就。

新型的混合腔板條激光器不但具備板條激光器高效冷卻的優(yōu)點，更具有傳統(tǒng)板條激光器所不具備的優(yōu)勢。它利用薄的片狀晶體（1mm）來做激光器的增益介質(zhì)，片狀晶體的兩個表面都被緊貼在熱沉上，結(jié)合混合腔，使其輸出光束的遠場近似為高斯分布，具備很好的光束質(zhì)量[8]。

采用這種新型的板條激光器結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)實現(xiàn)了此類激光器的連續(xù)運轉(zhuǎn)，得到了波長為

1064nm 穩(wěn)定的連續(xù)激光輸出，當泵浦功率為 60.5W 時，輸出功率達到 16.2W 。

板條激光器諧振腔由一個凹面鏡和一個柱面鏡組成，其中凹面鏡為后腔鏡，曲率半徑 250mm ，鍍有 808nm 的增透膜和 1064nm 的全反膜；柱面鏡為前腔鏡，并耦合輸出激光，曲率半徑 150mm ，鍍有 1064nm的全反膜，兩腔鏡，放于共焦位置，腔長為 50mm 。[9]

②近年來國外的高功率端面泵浦固體激光器

端面泵浦高功率運轉(zhuǎn)固體激光器：

美國加州大學端面泵浦高功率運轉(zhuǎn)固體激光器[10]是美國加州大學和美國Lawrence Livermore國家實驗室合作，在1999年，進一步提高光束質(zhì)量之后，采用 LD 端泵Yb:YAG棒獲得 200W 連續(xù)波和重復頻率 5kHz、195W 調(diào) Q 輸出，在光束質(zhì)量 M2=2.4 時獲得183W 調(diào) Q 輸出。同時增加了諧振腔設(shè)計的靈活性，運用腔內(nèi)雙折射補償?shù)玫狡窆廨敵?，提高了效率，得到光束質(zhì)量 M2=3.2的112W連續(xù)波偏振光輸出。[11]

二極管列陣端面泵浦Yb:TAG固體激光器：

。實驗中的泵浦源是由36個帶微柱透鏡的LD bars構(gòu)成，每個bar的長度為15mm，采用硅基質(zhì)的微溝道制冷。泵浦模塊分為上下兩部分，激光由中間的一個直徑為6mm的圓孔通過。半導體列陣發(fā)出的泵浦光通過一個耦合透鏡，進入晶體。耦合透鏡是由熔融石英制成的柱面透鏡與中間掏空的鍥形鋁光傳導管組成。在石英透鏡的中間開有一個小孔，允許激光順利通過。鋁管內(nèi)表面呈四棱臺狀，且鍍有薄薄的一層銀用來反射泵浦光。該耦合透鏡可以將兩束 50×15mm2 的泵浦光會聚成 4.6×2.6mm2 的長形光斑，壓縮比為63。為了減少裝置設(shè)計帶來的損耗，該實驗中的晶體為復合棒結(jié)構(gòu)，即在晶體棒的兩端有兩個長為 15mm 端帽，端帽中沒有摻雜激活離子，端帽的一端為與泵浦光的形狀相匹配的矩形，一端為與晶體棒相粘接的圓形。此外，晶體四周被拋光，且晶體棒中心處的直徑為2mm ，長為50mm，由中心向兩端，直徑逐漸增加，與兩個端帽銜接處的直徑為2.2mm。此設(shè)計可以有效地減少由于拋光所引起的放大的自發(fā)輻射損耗以及寄生振蕩損耗。當采用了可以進行熱致雙折射補償?shù)碾p棒泵浦腔結(jié)構(gòu)之后，便獲得了1080W 的基頻輸出,光光效率為27.5% ，電光效率為 12.3%。

半導體端面泵浦激光國內(nèi)外高功率端面泵浦固體激光器的應用

在應用上，端面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、工作可靠的端面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，激光微加工、激光精密加工也都有廣泛推廣的趨勢。在國外，千瓦級的二極管端面泵浦固體激光器已有產(chǎn)品，主要受限于成本和市場需求的限制。

除材料加工外，大功率二極管端面泵浦固體激光器還可以用于激光核聚變、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(lǐng)域，因而具有極其重要的應用價值。

半導體端面泵浦激光結(jié)束語

我國在低功率端面泵浦固體激光器(< 200mw)技術(shù)比較成熟，產(chǎn)業(yè)化(光通訊應用較多)也蓬勃發(fā)展。但是國外端面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。而國內(nèi)的大功率端面泵浦固體激光器發(fā)展一直具有局限性，應該積極進行這方面的研究,如果能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展,則必將帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

產(chǎn)品特點

半導體泵浦激光打標機技術(shù)先進，電光轉(zhuǎn)換效率高，光束質(zhì)量好，適用各種金屬和多種非金屬材料打標。 JMJB-EP10型半導體端面泵浦激光打標機，光模式好，功耗低，特別適用于精細、精度要求很高的場合。

應用領(lǐng)域

電子元器件、芯片、手機通訊、面板、精密器械、五金工具、量具、汽車零部件等。2100433B

激光二極管泵浦固體激光器（Diode Pumped Solid state Laser－DPSSL）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)。

相對于側(cè)面泵浦方式，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(guān)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)點近年來在國際上發(fā)展極為迅速它在激光打標、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(lǐng)域都有廣泛的用途，具有很大的市場潛力。