棒狀激光器2棒狀激光器

棒狀激光器是發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的固體激光器結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是增益介質(zhì)呈圓棒狀，工作時振蕩/放大激光沿介質(zhì)軸向行進(jìn)。2003年日本采用6個激光頭串接定標(biāo)放大，在注入電功率為52.5 kW時，獲得了12 kW 的1064nm激光輸出，電光轉(zhuǎn)換效率為23%。

國內(nèi)研究高功率棒狀激光器的單位主要集中在中科院物理所、中科院福建物構(gòu)所、華北光電所、華中科技大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所等單位。2006 年11月中科院半導(dǎo)體所采用三棒串接方式，獲得6 kW 高功率全固態(tài)激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率超過50%，目前輸出功率已超過7.6 kW。

半導(dǎo)體泵浦棒狀激光器

從目前半導(dǎo)體泵浦棒狀固體激光器的發(fā)展來看，依照其泵浦方式的不同可以分為兩類：端面泵浦棒狀激光器和側(cè)面泵浦棒狀激光器。其各自具備不同的特點(diǎn)。

半導(dǎo)體端面泵浦棒狀激光器

端面泵浦又稱縱向泵浦，是指抽運(yùn)光從晶體棒的端面入射，激光沿晶體棒長度方向振蕩的抽運(yùn)方式。在端面泵浦方式中，半導(dǎo)體陣列發(fā)出的泵浦光在經(jīng)過一組準(zhǔn)直聚焦透鏡后從晶體的端面入射到晶體中，泵浦光的入射方向與產(chǎn)生的激光振蕩方向一致。只要工作物質(zhì)足夠長，泵浦光就能全部被吸收，而且泵浦光能與激光振蕩模式相匹配，可以把盡可能多的泵浦光有效地耦合到基模 TEM00模體積中。因此，采用二極管端面泵浦的固體激光器，效率高，輸出光束質(zhì)量好。

目前端面抽運(yùn)已獲得光光轉(zhuǎn)換效率大于 76%的單橫模激光輸出。但是，由于工作物質(zhì)端面面積有限，很難輸入大的泵浦功率，而且會聚具有較大發(fā)光孔徑的大功率二極管泵浦光比較困難，同時，受晶體損傷閾值限制，也不可能輸入很大的泵浦功率。再者，在小的泵浦空間內(nèi)產(chǎn)生的熱，會造成熱透鏡效應(yīng)，而且不易補(bǔ)償，降低了光束質(zhì)量。目前端面泵浦多見于百瓦級激光器。由上述可知，端面泵浦一般應(yīng)用于中小功率的二極管泵浦固體激光器。

側(cè)面泵浦棒狀激光器

側(cè)面泵浦方式就是讓半導(dǎo)體陣列發(fā)出的泵浦光從工作物質(zhì)的側(cè)面進(jìn)入的泵浦方式。在側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體陣列沿激光晶體軸向方向排列，半導(dǎo)體陣列發(fā)出的泵浦光的入射方向與產(chǎn)生的激光振蕩方向垂直。

半導(dǎo)體泵浦全固態(tài)激光器的發(fā)展和現(xiàn)狀 1958 年末肖洛(A.L.Schawlow)與湯斯(C.H.Towns)合作提出紅外和光學(xué)激射器的設(shè)計理念，同年相似的建議也由前蘇聯(lián)的普洛霍羅夫(Prokhorov)和巴索夫(Basov)提出。這些為 1960 年激光器的產(chǎn)生打下了堅實(shí)的物理基礎(chǔ)。

在 1964 年，美國 MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室的 Keyes 和 Qusit展示了世界上第一臺激光二極管泵浦的固體激光器，這臺激光器以GaAs 二極管為泵浦源，工作物質(zhì)是 CaF2U輸出波長是 2.613μm。由于當(dāng)時的 LD 必須要冷卻才能獲得激光輸出，因此整個裝置在液氮中冷卻至 4K。Keyes 和 Qusit 認(rèn)識到 LD 泵浦方式相對閃光燈泵浦的優(yōu)點(diǎn)，指出 GaAs 二極管是 Nd激光器的理想泵浦源，這種泵浦方式應(yīng)該比閃光燈泵浦效率更高。

20 世紀(jì) 70 年代，由于半導(dǎo)體工藝仍沒有突破，激光二極管泵浦源的低功率和低轉(zhuǎn)換效率阻礙了全固態(tài)激光器的進(jìn)步。1971 年，Ostermayer等人首次實(shí)現(xiàn)了能夠在室溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的激光二極管泵浦 Nd:YAG 激光器，為全固態(tài)激光器的發(fā)展帶來了曙光。1976 年，Iwamoto利用 super luminescent diodes Nd:YAG,真正實(shí)現(xiàn)了能夠在室溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的全固態(tài)激光器。在此期間由于當(dāng)時LD 的輸出功率很低，與側(cè)面泵浦方式相比，采用端面泵浦方式吸收長度大，因此可以獲得較高的斜效率，因此端面泵浦獲得較大發(fā)展。

20 世紀(jì) 80 年代，在此期間半導(dǎo)體物理研究有了新的成果，對半導(dǎo)體激光器的發(fā)展產(chǎn)生了極大的促進(jìn)。半導(dǎo)體激光器采用量子阱（QW），應(yīng)變量子阱（SLQW）技術(shù)和新的晶體生長工藝包括：分子束外延(MBE)、有機(jī)金屬化合物氣相外延(MOCVD)等，明顯降低二極管激光器的閾值電流、提高其效率和功率，改善其冷卻結(jié)構(gòu)?？蒲腥藛T敏銳發(fā)現(xiàn) DPL 在工業(yè)應(yīng)用上具備廣闊前景，針對不同的用途 DPL 應(yīng)該具有更多的激光發(fā)射波長和更多的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。例如：高功率連續(xù)激光器需要吸收系數(shù)大且吸收帶較寬，以便充分利用泵浦光提升輸出功率。因此很多新興激光介質(zhì)以及原來沒有采用LD泵浦方式的激光介質(zhì)被應(yīng)用到全固態(tài)激光器試驗(yàn)中。

20 世紀(jì) 90 年代至今，伴隨高功率二極管激光器技術(shù)的進(jìn)一步成熟，大功率泵浦源的價格已經(jīng)降到可以接受的水平，全固態(tài)激光器獲得飛速的發(fā)展。全固態(tài)激光器按其工作介質(zhì)形態(tài)大致分為四類：光纖激光器（Fiber laser）、薄片激光器（Thin disk laser）、板條激光器（Slap laser）、棒狀激光器（Rod laser）。 1995 年，德國漢諾威激光中心的 Golla 采用 108 只輸出功率為 10W 的二極管激光器從 9 個方向泵浦 Nd:YAG 棒，每只激光二極管前都安裝了 υ3mm 準(zhǔn)直透鏡，將二極管泵浦光耦合進(jìn)聚光腔。通過精確的溫度調(diào)節(jié)，使二極管的輸出波長控制在 808nm，與 Nd:YAG 晶體的吸收峰相吻合。

1999年，德國Christian Stewen等人研制了輸出功率為1070W，光－光轉(zhuǎn)換效率為48%的薄片激光器。工作物質(zhì)為厚度200μm、直徑5mm的Yb:YAG薄片。由于薄片太薄，采用16通泵浦耦合系統(tǒng)來提高泵浦光吸收效率。 2000 年美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL) 的 R.J.Beach 等提出利用透鏡導(dǎo)光錐(LensDuct)端面抽運(yùn)三明治 Yb:YAG 晶體棒獲得千瓦級輸出的新型結(jié)構(gòu)，堪稱端面抽運(yùn)領(lǐng)域的經(jīng)典之作。該系統(tǒng)的工作物質(zhì)由 2 根直徑為 2mm、長 50mm 的 Yb:YAG 棒串聯(lián)而成。Yb:YAG 棒的兩端各有一段非摻雜的 YAG 晶體，其作用為：1、使 Yb:YAG 更好的散熱，從而防止 Yb:YAG 端面變形，消除端面破裂的危險；2、使膜層與 Yb:YAG 隔開一定的距離，減少溫度對膜層的影響，從而起到保護(hù)膜層的作用。二極管陣列發(fā)出的泵浦光通過傳輸效率為 82%的空心透鏡導(dǎo)管導(dǎo)入到 Yb:YAG 棒內(nèi)。

2003 年日本采用6個激光頭串接定標(biāo)放大，獲得了12kW 的1064nm 激光輸出。石英管外表面未抽運(yùn)的區(qū)域鍍有高反膜，以增加其反射吸收。二極管陣列發(fā)出的泵浦光從 3 個不同方向進(jìn)入到 Nd:YAG 圓棒中。

2004年英國Y. Jeong 等利用兩個半導(dǎo)體激光器疊陣通過透鏡耦合雙端面抽運(yùn)芯徑為40μm，內(nèi)包層為600μm的雙包層光纖獲得1.01kW，波長為1090nm，光束質(zhì)量因子M2=3的光纖激光輸出，并于同年年底研制成功1.36 kW連續(xù)光纖激光器。

2004年，中科院研制了雙棒串接的二極管泵浦Nd:YAG激光器，輸出功率達(dá)1.15kW。5個相同的二極管陣列均勻地排列在Nd:YAG棒周圍，進(jìn)行泵浦，以實(shí)現(xiàn)泵浦均勻性。采用雙棒串接時，在兩根棒之間插入90℃石英旋光片以改善光束質(zhì)量。2006年4月中科院半導(dǎo)體所采用自行研制的高功率激光頭，通過雙棒串接獲得超過3 kW的全固態(tài)激光輸出。同年十月獲得3.8KW激光輸出。

2005年美國H. Bruesselbach等報道單根Yb:YAG激光棒輸出2.65 kW的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)所采用的Yb:YAG棒為一復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中摻雜濃度為0.6 at.%的部分直徑為4mm，長80mm，兩端各有一段直徑6mm，長24mm的非摻雜YAG晶體。

2007年6月中科院半導(dǎo)體所采用三棒串接方式，獲得6 kW高功率全固態(tài)激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率過50%。 2008年美國的IPG公司已可提供單模3 kW，多模50kW的光纖激光器產(chǎn)品。

國內(nèi)二極管泵浦固體激光器的研究也十分活躍，上海光機(jī)所、中科院物理所、半導(dǎo)體所、清華大學(xué)、天津大學(xué)、四川大學(xué)、山東大學(xué)、長春光機(jī)所、華中科技大學(xué)等單位先后開展了二極管泵浦固體激光器的研究，均取得了一系列成果。但是國產(chǎn)的半導(dǎo)體泵浦高功率激光器在工業(yè)應(yīng)用上還不是十分廣泛。

對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（已申請國家發(fā)明專利，申請?zhí)?201110147755.0）有 n（n 為奇數(shù)）個溝槽，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)，對泵浦光進(jìn)行發(fā)散。對應(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)計要求的泵浦組件參數(shù)。

經(jīng)過 ZEMAX 模擬可得，對直徑 7mm 棒溝槽底部曲率半徑為 0.7mm；對于直徑 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) 激光下能級與基態(tài)能級之間的能量差轉(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，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產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)一步會通過光彈效應(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?，即產(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Nd:YAG 棒的圓柱軸呈[1 1 1]方向，晶體沿著此方向生長，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)熱焦距測量方法

對大功率棒狀固態(tài)激光器而言，熱透鏡效應(yīng)對激光器性能有較大影響。同時在固體激光器熱穩(wěn)腔的設(shè)計中，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。通常測量熱透鏡焦距的方法有探測光束法、相干測量法、橫模拍頻法，利用光斑半徑、發(fā)散角和熱焦距關(guān)系式間接測量等測量方法。本文采用一種簡單的測量連續(xù)大功率激光器熱透鏡焦距的方法。在大功率激光輸出時，利用諧振腔的臨界穩(wěn)定條件計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?