泵浦源激光器

脈沖光，功率大，可調(diào)波長(zhǎng)范圍大。 2100433B

輸出功率大于3W，輸出激光波長(zhǎng)范圍為700-900nm，脈沖光。

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(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)得到了規(guī)模應(yīng)用，在國(guó)外，千瓦級(jí)的半導(dǎo)體泵浦固體激光器已有產(chǎn)品，德國(guó)、美國(guó)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(guó)防等領(lǐng)域，具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。

泵浦源的作用是對(duì)激光工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，將激活粒子從基態(tài)抽運(yùn)到高能級(jí)，以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。根據(jù)工作物質(zhì)和激光器運(yùn)轉(zhuǎn)條件的不同?？梢圆扇〔煌募?lì)方式和激勵(lì)裝置。常見的有以下4種:光學(xué)激勵(lì)(光泵浦)、氣體放電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、核能激勵(lì)。

對(duì)于棒狀激光工作物質(zhì)，側(cè)面泵浦方式更易獲得高功率，連續(xù)激光輸出。在側(cè)面泵浦方式中。泵浦光吸收分布是否均勻，對(duì)提高激光器的輸出功率和光光轉(zhuǎn)換效率有極為重要的影響。

棒狀激光器側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)中常采用反射腔、柱透鏡。為優(yōu)化泵浦結(jié)構(gòu)，本文提出一種新型泵浦組件。新型泵浦組件為管狀（已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?201110147755.0）有 n（n 為奇數(shù)）個(gè)溝槽，溝槽底部為弧形，具有一定曲率半徑。在溝槽底部鍍有 808nm 增透膜，在外表面兩溝槽之間鍍有 808nm 高反膜。

玻璃管外面開出溝槽，溝槽底部為具有一定曲率半徑的弧形，與玻璃管內(nèi)壁形成凹透鏡結(jié)構(gòu)，對(duì)泵浦光進(jìn)行發(fā)散。對(duì)應(yīng)溝槽底部的曲率半徑不同，從而構(gòu)造出發(fā)散能力不同的凹透鏡結(jié)構(gòu)。根據(jù)環(huán)繞激光棒空間分布半導(dǎo)體陣列數(shù)量的不同，所開溝槽數(shù)目可變。本實(shí)驗(yàn)采用的為經(jīng)過快軸準(zhǔn)直的半導(dǎo)體陣列。半導(dǎo)體陣列發(fā)出的泵浦光，快軸方向可以近似認(rèn)為是平行光。根據(jù)廠家提供商導(dǎo)體陣列性能可知，經(jīng)準(zhǔn)直光束在快軸方向 0.6mm 范圍內(nèi)，包含了泵浦光全部能量。則近似認(rèn)為泵浦光束為厚度為 0.6mm 的平行光。在同時(shí)考慮玻璃管材質(zhì)，玻璃管厚度，冷卻水層厚度，和激光棒尺寸，使用 ZEMAX 軟件對(duì)泵浦光在激光棒內(nèi)分布進(jìn)行模擬。經(jīng) ZEMAX 模擬可以獲得泵浦光經(jīng)過新型玻璃管在激光棒上形成的幾何分布。從而得出符合設(shè)計(jì)要求的泵浦組件參數(shù)。

經(jīng)過 ZEMAX 模擬可得，對(duì)直徑 7mm 棒溝槽底部曲率半徑為 0.7mm；對(duì)于直徑 8mm 棒，溝槽底部曲率半徑為 0.65mm，管壁厚度為 3.5mm。

棒狀激光器棒狀激光介質(zhì)熱效應(yīng)的理論分析

在半導(dǎo)體泵浦棒狀激光器中，由于泵浦光能量未能全部轉(zhuǎn)換成激光輸出，在棒狀激光工作介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生較多的損耗熱，其產(chǎn)生的主要原因有：

(1) 泵浦帶與激光上能級(jí)之間的光子能量差以熱的形式散逸到激光晶體基質(zhì)中，造成量子虧損發(fā)熱。

(2) 激光下能級(jí)與基態(tài)能級(jí)之間的能量差轉(zhuǎn)換為耗散熱。

(3) 因?yàn)榧す廛S遷過程中的熒光量子效率小于 1，所以除了產(chǎn)生激光外，其余能量產(chǎn)生熱。

棒狀激光器棒狀工作介質(zhì)溫度分布

對(duì)于采用側(cè)面泵浦方式的棒狀激光器，激光棒是浸沒在冷卻液中。激光棒所產(chǎn)生的熱通過棒表面流過的冷卻液進(jìn)行冷卻。簡(jiǎn)化分析，可假設(shè)激光棒內(nèi)部發(fā)熱均勻，激光棒光學(xué)無限長(zhǎng)，表面均勻冷卻。這種情況下熱流僅在徑向，軸向上冷卻液溫度的端面效應(yīng)和小的變化可以忽略。

棒狀激光器棒狀工作介質(zhì)光彈效應(yīng)和熱應(yīng)力雙折射

通過前兩個(gè)小節(jié)的分析可以看出，Nd:YAG 激光工作物質(zhì)中的溫度分布的不均勻會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)一步會(huì)通過光彈效應(yīng)使折射率發(fā)生變化，使原來的各向同性材料變?yōu)楦飨虍愋裕串a(chǎn)生熱應(yīng)力雙折射。

由于 Nd:YAG 單晶激光晶體是立方晶體，所以其光率體是一個(gè)圓球，但是它在熱應(yīng)力的作用下變?yōu)闄E球?？紤]常用的 Nd:YAG 單晶多用[1 1 1]方向，此時(shí)Nd:YAG 棒的圓柱軸呈[1 1 1]方向，晶體沿著此方向生長(zhǎng)，激光也沿著此方向傳播，因此分析主要考慮[1 1 1]方向的折射率變化。

棒狀激光器棒狀工作介質(zhì)熱焦距測(cè)量方法

對(duì)大功率棒狀固態(tài)激光器而言，熱透鏡效應(yīng)對(duì)激光器性能有較大影響。同時(shí)在固體激光器熱穩(wěn)腔的設(shè)計(jì)中，也需要知道激光棒的熱透鏡焦距值。所以，要獲得激光棒的熱透鏡焦距值。通常測(cè)量熱透鏡焦距的方法有探測(cè)光束法、相干測(cè)量法、橫模拍頻法，利用光斑半徑、發(fā)散角和熱焦距關(guān)系式間接測(cè)量等測(cè)量方法。本文采用一種簡(jiǎn)單的測(cè)量連續(xù)大功率激光器熱透鏡焦距的方法。在大功率激光輸出時(shí)，利用諧振腔的臨界穩(wěn)定條件計(jì)算有效熱透鏡的焦距。平行平面 諧振腔的臨界穩(wěn)定點(diǎn)是對(duì)工作介質(zhì)的熱透鏡敏感函數(shù)?？梢酝ㄟ^激光器的輸出功率測(cè)量，記錄由于有效熱焦距使諧振腔通過特殊臨界穩(wěn)定的點(diǎn)，就能獲得有效地?zé)峤咕嘀怠?