半導(dǎo)體泵浦固體激光器應(yīng)用

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)展步上了一個嶄新的臺階。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化水平已經(jīng)達(dá)到數(shù)百瓦，實驗室水平已經(jīng)達(dá)到千瓦級。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、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)用價值。

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)的氪燈或氙燈來對激光晶體進(jìn)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(xué)，醫(yī)療器械，光學(xué)圖象處理，激光打印機(jī)等高科技領(lǐng)域有著獨具特色的應(yīng)用前景。

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(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(xué)科的重點發(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(dǎo)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(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，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。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小時以上，閃光燈的壽命只有300—1000小時。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(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。

1、采用半導(dǎo)體泵浦源和德國高速標(biāo)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(biāo)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(biāo)需求。

3、周到的防護(hù)設(shè)計：缺水保護(hù)，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(biāo)記轉(zhuǎn)臺，排風(fēng)除塵系統(tǒng)，激光防護(hù)罩及燈光警示裝置。

5、光路預(yù)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(biāo)范圍的預(yù)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(yīng)用最多的波長的半導(dǎo)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(yīng)，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(kuò)展問題。

但是熱效應(yīng)所產(chǎn)生的直接后果--熱透鏡效應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(yīng)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(dá)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(jìn)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(jìn)行冷卻，降低熱效應(yīng)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(jìn)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(yuǎn)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(dāng)泵浦功率為 60.5W 時，輸出功率達(dá)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(xué)端面泵浦高功率運轉(zhuǎn)固體激光器[10]是美國加州大學(xué)和美國Lawrence Livermore國家實驗室合作，在1999年，進(jìn)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(fù)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(bǔ)償?shù)玫狡窆廨敵觯岣吡诵?，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(dǎo)體列陣發(fā)出的泵浦光通過一個耦合透鏡，進(jìn)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(dǎo)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(fù)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(dāng)采用了可以進(jìn)行熱致雙折射補(bǔ)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(dǎo)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(yīng)用

在應(yīng)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(biāo)記、激光焊接、激光切割和打孔等。結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好、工作可靠的端面泵浦固體激光打標(biāo)機(jī)產(chǎn)品系列已經(jīng)在國內(nèi)得到了規(guī)模應(yīng)用，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(xué)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(yīng)用價值。

半導(dǎo)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(yīng)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(dá)到數(shù)百瓦，實驗室水平已經(jīng)達(dá)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(yīng)該積極進(jìn)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(jì)效益和社會效益。

產(chǎn)品特點

半導(dǎo)體泵浦激光打標(biāo)機(jī)技術(shù)先進(jìn)，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(biāo)。 JMJB-EP10型半導(dǎo)體端面泵浦激光打標(biāo)機(jī)，光模式好，功耗低，特別適用于精細(xì)、精度要求很高的場合。

應(yīng)用領(lǐng)域

電子元器件、芯片、手機(jī)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(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(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，具有很大的市場潛力。