半導體端面泵浦激光器工業(yè)應用

工業(yè)激光設備如：激光打標機、鐳雕機、激光雕刻機、激光劃片機等常用的端面泵浦激光器一般都是采用波長為532nm以及808nm的半導體端面泵浦激光器。

半導體光電器件的工作波長是和制作器件所用的半導體材料的種類相關(guān)的。半導體材料中存在著導帶和價帶，導帶上面可以讓電子自由運動，而價帶下面可以讓空穴自由運動，導帶和價帶之間隔著一條禁帶，當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中去時，就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導帶跳回價帶，又可以把電的能量變成光，這時材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長。材料科學的發(fā)展使我們能采用能帶工程對半導體材料的能帶進行各種精巧的裁剪，使之能滿足我們的各種需要并為我們做更多的事情，也能使半導體光電器件的工作波長突破材料禁帶寬度的限制擴展到更寬的范圍。

半導體激光器可分為側(cè)面泵浦激光器和端面泵浦激光器兩種。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。

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)學和科研等領域都有廣泛的用途，具有很大的市場潛力。

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計的靈活性，運用腔內(nèi)雙折射補償?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

端面泵浦激光設備諧振腔，采用折疊腔的模式，在保證激光諧振腔體長度的情況下，有效減少腔體物理體積。端面泵浦和側(cè)面泵浦激光器的內(nèi)部組成基本相同，由各種光學鏡片組合，最終形成激光輸

光路系統(tǒng) 側(cè)面泵浦和端面泵浦的區(qū)分，端面泵浦和側(cè)面泵浦激光器的根本區(qū)分在泵浦源的激勵方式不同，泵浦源是激勵發(fā)光晶體的側(cè)面還是端面來判定。本質(zhì)上都是激勵晶體物質(zhì)發(fā)光，通過諧振，最終輸出激光。