板條雷射器是目前功率水平最高的固體雷射器，其外形呈板條狀，工作時雷射沿著介質長度方向行進。
基本介紹
- 中文名：板條雷射放大器
- 外文名：slablaser amplifier
1背景介紹,高能固體雷射器的發展及現狀,寄生振盪,2概述,板條雷射器,雷射二極體泵浦板條雷射放大器的主要特點,板條介質介紹,板條雷射放大器熱效應,
1背景介紹
採用雷射二極體抽運的固體雷射器，具有效率高、光束質量好、工作穩定、體積小和質量輕等優點，尤其它是一種電激勵雷射器，使用成本和維護的複雜性較低，在工業加工、醫療衛生、科學研究等領域的套用前景非常廣闊。傳統的高能固體雷射器採用棒狀雷射介質，雷射介質熱效應嚴重，輸出光束質量較差。為了克服熱效應的影響，科研人員提出了多種雷射介質構型的固體雷射器，如板條、薄片和光纖等方案。其中板條雷射器沿“之”字型光路傳輸的雷射可以消除一階熱聚焦和熱致雙折射效應，能夠獲得較好的光束質量和較高的輸出功率。2001年，科研人員結合薄板條大面積傳導冷卻和端面抽運技術提出了傳導冷卻端面抽運板條雷射器方案。2005年，Northrop Grumman公司採用4個板條雷射增益模組雙程放大和自適應光學主動控制後實現了單路功率15kW、光束質量(BQ)1.5倍衍射極限的雷射輸出，且穩定運轉22min後光束質量無明顯下降。2009年，Northrop Grumman公司的板條固體雷射器採用7個15kW的放大模組相干合成，獲得BQ優於3、雷射功率105kW 雷射輸出，由此可以證明板條雷射器具有作為高功率雷射器的潛力。
國內已經有許多學者對高功率固體板條雷射器進行了深入的理論分析和實驗研究，如胡浩等報導了千瓦級二極體雷射側面抽運Nd：YAG板條雷射器；王超等報導了輸出功率11kW 的高功率固體板條雷射器介質熱分析；劉亮等報導了傳導冷卻端面抽運板條放大器波前畸變的數值研究。然而由於存在雷射增益模組的波前畸變較大和雷射放大器提取效率低等問題，難於獲得高光束質量和高效率雷射輸出。
自上世紀六十年代固體雷射器應世,開創了雷射研究套用的新時代,雷射成為20世紀最重要的科技成果之一。經過幾十年的蓬勃發展與科研工作者的艱苦努力,各類各樣的雷射器己經推陳出新,如固體雷射器,氣體雷射器,氣體離子雷射器,氣體分子雷射器,氣體準分子雷射器,光纖放大器,半導體雷射器,二極體泵浦固體雷射器等其中,二極體泵浦板條雷射放大器由於系統穩定可靠,壽命長,能量轉換效率高,熱效應小,輸出光束特性良好、頻率穩定、質量高等大量優點而獲得廣泛套用。尤其是大功率的板條雷射放大器,在科研、軍事、醫療等領域都發揮著重要作用。
高能固體雷射器的發展及現狀
固體雷射器是指增益介質為固體材料的雷射器，自 1960 年首台雷射器誕生以來，許多國家都投入了巨大的人力和財力對該技術進行研究。經過半個多世紀的發展，固體雷射技術不僅沒有被時代淘汰，反而不斷推陳出新，在介質種類、泵浦方式、工作波長、時間特性、頻譜特性、腔型結構、冷卻方式、摻雜形式等技術領域都湧現出大量新穎的方案與理念，並一步步地由實驗室研究走向市場套用。
寄生振盪
2概述
板條雷射器
板條雷射器是目前功率水平最高的固體雷射器，其外形呈板條狀，工作時雷射沿著介質長度方向行進。當前世界上僅有的兩例功率突破百千瓦的固體雷射系統均採用了板條結構，此外還有大量功率在數十千瓦的相關報導。
雷射二極體泵浦板條雷射放大器的主要特點
能量轉換效率高
採用陣列二極體泵浦雷射作為抽運光束最大的優點就是能量轉換效率高,這方面燈泉浦是完全無法比擬的。效率高的根本原因是工作物質的吸收波長可以和半導體二極體發射波長完全重合。比如摻釹雷射器,由於釹離子的吸收帶與燈菜浦具有的寬福射光譜匹配非常不好,Nd:YAG雷射放大器採用燈泵浦時的總效率通常低於3%,光束質量差穩定性差,並且大功率下熱效應極其明顯。而半導體雷射二極體的發射譜線。
束質量差穩定性差,並且大功率下熱效應極其明顯。而半導體雷射二極體的發射譜線則非常窄,並且通過溫度調諧還可以改變發射波長,使其激活粒子的吸收帶和峰值發射波長實現理想匹配,因此泵浦效率要比燈泵浦高很多。
系統穩定可靠,壽命長
在連續工作時雷射二極體陣列發射約109次脈衝,其壽命大約是1000小時。閃光燈在工作時發射約108次,壽命大約是500小時。另外半導體雷射器由於輸出功率穩定性好,使半導體雷射二極體泵浦板條雷射器的不穩定度一般保持在1%以內。
熱效應低,光束輸出特性好、質量高、頻率穩定
由於二極體泵浦固體雷射器(DPSSL) '發射波長良好匹配與釹離子吸收帶,使得雷射中耗散的熱量非常小,有利於雷射放大器散熱,從而使熱光畸變和熱透鏡效應大為降低,很大程度的改善光束質量。另外,二極體雷射具有良好的方向性,使得有希望設計出優質的諧振腔,其低階模與泵浦轄射光譜良好交疊,進而發射高亮度的輸出光束。
可實現雷射放大系統的緊湊性、多樣性
板條雷射放大器具有體積小、結構簡單等優點,輸出光束具有方向好、發散角小的特點,進而可以設計出許多優良的新型固體雷射器,如光纖雷射器、微晶片雷射器和端面泵浦系統等,而且許多很有用的材料如Yb:YAG、Tm:YAG和Nd:YAG等,只有在雷射二極體(LD)泵浦作用下才可以顯示出其強大的優勢。其次,準連續雷射二極體除了連續弧光燈和閃光燈所具有的連續運轉特性和低重複率外,還可以保證固體雷射器產生的脈衝運轉重複率範圍在幾百至幾千赫茲內。
板條介質介紹
固體增益介質基質材料最常見的主要有玻璃和晶體兩種體積可以做得非常大,是玻璃作為基質材料最大的優點,尤其在雷射高功率運作中有著極大的優勢。通常情況下,玻璃基質作為雷射材料吸收譜線比晶體基質的更寬,並且摻雜的均勻性和光學質量也要更好些。工作物質以晶體作為基質則有硬度較大、螢光譜線窄、熱導率好等優點。
玻璃有許多其它的不同於固體雷射器基質材料的特點。它在光學特性上是各向同性的,能夠摻進其它雜質,並且能保證濃度很高摻雜度非常均勾,物理特性好,可能做成各種形狀多種尺寸。摻入適量的NcbOs在一些成分的光學玻璃中可以製作成釹玻璃,一般是酸鹽玻璃和矽酸鹽。大量摻釹的雷射玻璃取決於玻璃網路形成物和網路調節離子的成分,在很多雷射玻璃中,只有矽酸鹽和磷酸鹽因其合格的光學、機械和化學特性而具有商業價值。釹 酸鹽主要有非線性折射率相對小、受激發射截面大等特徵,其截面大小比類似的矽酸鹽一般要大1/2,現在聚變研究的大型雷射系統己經大量套用釹磷酸鹽玻璃介質。早期閃光燈泵浦的釹玻璃板是板條雷射器的研究工作焦點因為釹玻璃具有高儲能、螢光壽命長等良好優點,高功率雷射器常用釹玻璃作為基質材料。而且非常適於製作超短脈衝鎖模器件,因為釹玻璃有很寬的螢光線寬;但釹玻璃也有很大的缺點,就是熱導率低,熱膨脹係數大,熱導率只有Nd:YAG晶體的十分之一左右,不適於高重複頻率連續工作。但現在運動釹玻璃板條雷射器和二級管泵浦的相繼出現,釹玻璃已可使用於高功率高重複頻率的雷射系統。
摻釹釔鋁石榴石晶體Nd:YAG則是現今研究最為成熟套用最廣泛的雷射材料了。因為其很多良好的優勢,目前廣泛套用於YAG雷射器中,已經占據占整個固體雷射器的90%左右,不管是閃光燈泵浦和半導體二極體泵浦。Nd:YAG屬於立方晶系,各向同性的光學特性,不存在自然雙折射,是一種硬度很高的晶體,有優良的熱物理性能,熱導率高散熱快,熔點約為1970°C; Nd:YAG雷射器主要在1.064um 附近產生振盪光譜,振盪譜線寬度範圍大約為零點幾埃到1埃,譜線窄,光束能量非常集中;在基態能級之上雷射躍遷的低能級有足夠高的位置,因此基本上可以忽略玻爾茲曼分布在該能級上的粒子數,可看作比較理想的四能級系統,該能級系統非常有利於雷射器的高重複率的長時間連續工作;在Nd:YAG中不需要電荷補償,這是由於三階釹代替了三價釔;在生長方面,高質量大尺寸的晶體也可以用提拉法很容易生長出現在,Nd:YAG早已代替早期的釹玻璃成為大多數板條雷射器的研究重點。同時Nd:YAG晶體ii玻璃相比具有良好的熱特性,使板條性能得到極大的改善,而板條的傳導冷卻之門才得以開啟也正是利用了二極體泵浦技術和Nd:YAG板條的這一優點。
另一種也己經出現幾十年的雷射晶體Yb:YAG,Yb離子具有4fl3電子結構,因此它的發射和吸收譜帶簡單,雷射上能級無激發態自吸收和上轉換,吸收係數大,福射量子效率高,與InGaAs 二極體發光波長既有很好的匹配,峰值位於970mn和940mn的吸收線寬,非常適用於半導體二極體泵浦,加上YAG晶體基質的優良導熱性能和光學特性,因而是高平均功率高效率二極體泵浦雷射器的理想工作物質,尤其是角菜浦、邊泵浦的板條雷射器更成為了近年的研究熱點。
摻釹的釩酸釔是一種和Nd:YAG性質類似的雷射晶體,它是四方晶體和單軸晶系。Nd:YVO4雖然螢光壽命只有Nd:YAG的42%,但在1.06tim處有很大的受激發射截面,達到.Nd:YAG的四倍之多,這意味著其雷射增益相比較高,光壽命與雷射增益的乘積值仍然是高於Nd:YAG晶體,因此雷射泵浦的閾值較低; Nd:YVO4特別適合於LD泵浦,因為它的吸收峰值很高,在808nm附近的吸收頻寬大約20nm,達到Nd:YAG的五倍之多。高雙折射率是Nd:YVO4晶體的另外一個優點,因此易產生偏振光輸出,在Nd:YAG容易出現的熱致雙折射現象也可避免發生,大大改善了光束質量。Nd:YVO4晶體的缺點也很明顯,在調Q輸出脈衝中單脈衝能量較低,能量存儲能力比較低,激發態的壽命較短,不過高重複頻率器件倒可以很好的利用到短壽命適這一性質;另外一個缺點是導熱性差,熱量容易集中,散熱效率低,大功率泵浦下熱透鏡現象、熱畸變現象非常嚴重,機械性能也不如Nd:YAG,不適於燈栗。在生長性上,也難生長出大尺寸晶體。正因為這些缺點,在高平均功率下限制了它的作用發揮,但對中小功率LD錄浦連續波雷射器,仍是非常理想的增益介質,在端面泵浦的板條雷射器結構中比較常見這種板條狀介質.
板條雷射放大器熱效應
板條雷射放大器由雷射工作晶體介質、栗浦光源、冷卻系統和諧振腔四部分組成。雷射工作物質在粟浦光的照射過程中,菜浦光部分能量將轉化為工作物質的熱量。其主要原因有
(1)雷射上能級和泵浦帶間的能量差以熱量的形式部分散逸到基質中,引起常說的量子虧損熱;同樣的原因,雷射下能級和基態間的能量差也會在基質中產生熱耗散;
(2)雷射運轉過程中突光過程的量子效率小於1,包含雷射躍遷自發轄射在內,因為粹滅機制而產生熱量;
(3)閃光燈或弧光燈的粟浦光譜線很寬,分布在紅外和紫外譜帶的成分被固態雷射器中介質吸收後轉變成熱。
