棒狀雷射器

棒狀雷射器是發展最成熟、套用最廣泛的固體雷射器結構，其特點是增益介質呈圓棒狀，工作時振盪/放大雷射沿介質軸向行進。

基本介紹

• 中文名：棒狀雷射器
• 外文名：rodlaser

1背景介紹

半導體泵浦全固態雷射器的發展和現狀 1958 年末肖洛(A.L.Schawlow)與湯斯(C.H.Towns)合作提出紅外和光學激射器的設計理念，同年相似的建議也由前蘇聯的普洛霍羅夫(Prokhorov)和巴索夫(Basov)提出。這些為 1960 年雷射器的產生打下了堅實的物理基礎。

在 1964 年，美國 MIT 林肯實驗室的 Keyes 和 Qusit展示了世界上第一台雷射二極體泵浦的固體雷射器，這台雷射器以GaAs 二極體為泵浦源，工作物質是 CaF2U輸出波長是 2.613μm。由於當時的 LD 必須要冷卻才能獲得雷射輸出，因此整個裝置在液氮中冷卻至 4K。Keyes 和 Qusit 認識到 LD 泵浦方式相對閃光燈泵浦的優點，指出 GaAs 二極體是 Nd雷射器的理想泵浦源，這種泵浦方式應該比閃光燈泵浦效率更高。

20 世紀 70 年代，由於半導體工藝仍沒有突破，雷射二極體泵浦源的低功率和低轉換效率阻礙了全固態雷射器的進步。1971 年，Ostermayer等人首次實現了能夠在室溫條件下運轉的雷射二極體泵浦 Nd:YAG 雷射器，為全固態雷射器的發展帶來了曙光。1976 年，Iwamoto利用 super luminescent diodes Nd:YAG,真正實現了能夠在室溫下連續運轉的全固態雷射器。在此期間由於當時LD 的輸出功率很低，與側面泵浦方式相比，採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展。

20 世紀 80 年代，在此期間半導體物理研究有了新的成果，對半導體雷射器的發展產生了極大的促進。半導體雷射器採用量子阱（QW），應變數子阱（SLQW）技術和新的晶體生長工藝包括：分子束外延(MBE)、有機金屬化合物氣相外延(MOCVD)等，明顯降低二極體雷射器的閾值電流、提高其效率和功率，改善其冷卻結構。科研人員敏銳發現 DPL 在工業套用上具備廣闊前景，針對不同的用途 DPL 應該具有更多的雷射發射波長和更多的運轉方式。例如：高功率連續雷射器需要吸收係數大且吸收帶較寬，以便充分利用泵浦光提升輸出功率。因此很多新興雷射介質以及原來沒有採用LD泵浦方式的雷射介質被套用到全固態雷射器試驗中。

20 世紀 90 年代至今，伴隨高功率二極體雷射器技術的進一步成熟，大功率泵浦源的價格已經降到可以接受的水平，全固態雷射器獲得飛速的發展。全固態雷射器按其工作介質形態大致分為四類：光纖雷射器（Fiber laser）、薄片雷射器（Thin disk laser）、板條雷射器（Slap laser）、棒狀雷射器（Rod laser）。 1995 年，德國漢諾瓦雷射中心的 Golla 採用 108 只輸出功率為 10W 的二極體雷射器從 9 個方向泵浦 Nd:YAG 棒，每隻雷射二極體前都安裝了 υ3mm 準直透鏡，將二極體泵浦光耦合進聚光腔。通過精確的溫度調節，使二極體的輸出波長控制在 808nm，與 Nd:YAG 晶體的吸收峰相吻合。

1999年，德國Christian Stewen等人研製了輸出功率為1070W，光－光轉換效率為48%的薄片雷射器。工作物質為厚度200μm、直徑5mm的Yb:YAG薄片。由於薄片太薄，採用16通泵浦耦合系統來提高泵浦光吸收效率。 2000 年美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL) 的 R.J.Beach 等提出利用透鏡導光錐(LensDuct)端面抽運三明治 Yb:YAG 晶體棒獲得千瓦級輸出的新型結構，堪稱端面抽運領域的經典之作。該系統的工作物質由 2 根直徑為 2mm、長 50mm 的 Yb:YAG 棒串聯而成。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，從而起到保護膜層的作用。二極體陣列發出的泵浦光通過傳輸效率為 82%的空心透鏡導管導入到 Yb:YAG 棒內。

2003 年日本採用6個雷射頭串接定標放大，獲得了12kW 的1064nm 雷射輸出。石英管外表面未抽運的區域鍍有高反膜，以增加其反射吸收。二極體陣列發出的泵浦光從 3 個不同方向進入到 Nd:YAG 圓棒中。

2004年英國Y. Jeong 等利用兩個半導體雷射器疊陣通過透鏡耦合雙端面抽運芯徑為40μm，內包層為600μm的雙包層光纖獲得1.01kW，波長為1090nm，光束質量因子M2=3的光纖雷射輸出，並於同年年底研製成功1.36 kW連續光纖雷射器。

2004年，中科院研製了雙棒串接的二極體泵浦Nd:YAG雷射器，輸出功率達1.15kW。5個相同的二極體陣列均勻地排列在Nd:YAG棒周圍，進行泵浦，以實現泵浦均勻性。採用雙棒串接時，在兩根棒之間插入90℃石英旋光片以改善光束質量。2006年4月中科院半導體所採用自行研製的高功率雷射頭，通過雙棒串接獲得超過3 kW的全固態雷射輸出。同年十月獲得3.8KW雷射輸出。

2005年美國H. Bruesselbach等報導單根Yb:YAG雷射棒輸出2.65 kW的實驗結果。實驗所採用的Yb:YAG棒為一複合結構，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月中科院半導體所採用三棒串接方式，獲得6 kW高功率全固態雷射輸出，光光轉換效率過50%。 2008年美國的IPG公司已可提供單模3 kW，多模50kW的光纖雷射器產品。

國內二極體泵浦固體雷射器的研究也十分活躍，上海光機所、中科院物理所、半導體所、清華大學、天津大學、四川大學、山東大學、長春光機所、華中科技大學等單位先後開展了二極體泵浦固體雷射器的研究，均取得了一系列成果。但是國產的半導體泵浦高功率雷射器在工業套用上還不是十分廣泛。

2棒狀雷射器

棒狀雷射器是發展最成熟、套用最廣泛的固體雷射器結構，其特點是增益介質呈圓棒狀，工作時振盪/放大雷射沿介質軸向行進。2003年日本採用6個雷射頭串接定標放大，在注入電功率為52.5 kW時，獲得了12 kW 的1064nm雷射輸出，電光轉換效率為23%。

國內研究高功率棒狀雷射器的單位主要集中在中科院物理所、中科院福建物構所、華北光電所、華中科技大學、中科院半導體所等單位。2006 年11月中科院半導體所採用三棒串接方式，獲得6 kW 高功率全固態雷射輸出，光光轉換效率超過50%，目前輸出功率已超過7.6 kW。

半導體泵浦棒狀雷射器

從目前半導體泵浦棒狀固體雷射器的發展來看，依照其泵浦方式的不同可以分為兩類：端面泵浦棒狀雷射器和側面泵浦棒狀雷射器。其各自具備不同的特點。

半導體端面泵浦棒狀雷射器

端面泵浦又稱縱向泵浦，是指抽運光從晶體棒的端面入射，雷射沿晶體棒長度方向振盪的抽運方式。在端面泵浦方式中，半導體陣列發出的泵浦光在經過一組準直聚焦透鏡後從晶體的端面入射到晶體中，泵浦光的入射方向與產生的雷射振盪方向一致。只要工作物質足夠長，泵浦光就能全部被吸收，而且泵浦光能與雷射振盪模式相匹配，可以把儘可能多的泵浦光有效地耦合到基模 TEM00模體積中。因此，採用二極體端面泵浦的固體雷射器，效率高，輸出光束質量好。

目前端面抽運已獲得光光轉換效率大於 76%的單橫模雷射輸出。但是，由於工作物質端面面積有限，很難輸入大的泵浦功率，而且會聚具有較大發光孔徑的大功率二極體泵浦光比較困難，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，在小的泵浦空間內產生的熱，會造成熱透鏡效應，而且不易補償，降低了光束質量。目前端面泵浦多見於百瓦級雷射器。由上述可知，端面泵浦一般套用於中小功率的二極體泵浦固體雷射器。

側面泵浦棒狀雷射器

側面泵浦方式就是讓半導體陣列發出的泵浦光從工作物質的側面進入的泵浦方式。在側面泵浦結構中，半導體陣列沿雷射晶體軸向方向排列，半導體陣列發出的泵浦光的入射方向與產生的雷射振盪方向垂直。

3 棒狀雷射器新型泵浦組件

對於棒狀雷射工作物質，側面泵浦方式更易獲得高功率，連續雷射輸出。在側面泵浦方式中。泵浦光吸收分布是否均勻，對提高雷射器的輸出功率和光光轉換效率有極為重要的影響。

棒狀雷射器側面泵浦結構中常採用反射腔、柱透鏡。為最佳化泵浦結構，本文提出一種新型泵浦組件。新型泵浦組件為管狀（已申請國家發明專利，申請號 201110147755.0）有 n（n 為奇數）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，與玻璃管內壁形成凹透鏡結構，對泵浦光進行發散。對應溝槽底部的曲率半徑不同，從而構造出發散能力不同的凹透鏡結構。根據環繞雷射棒空間分布半導體陣列數量的不同，所開溝槽數目可變。本實驗採用的為經過快軸準直的半導體陣列。半導體陣列發出的泵浦光，快軸方向可以近似認為是平行光。根據廠家提供商導體陣列性能可知，經準直光束在快軸方向 0.6mm 範圍內，包含了泵浦光全部能量。則近似認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，玻璃管厚度，冷卻水層厚度，和雷射棒尺寸，使用 ZEMAX 軟體對泵浦光在雷射棒內分布進行模擬。經 ZEMAX 模擬可以獲得泵浦光經過新型玻璃管在雷射棒上形成的幾何分布。從而得出符合設計要求的泵浦組件參數。

經過 ZEMAX 模擬可得，對直徑 7mm 棒溝槽底部曲率半徑為 0.7mm；對於直徑 8mm 棒，溝槽底部曲率半徑為 0.65mm，管壁厚度為 3.5mm。

棒狀雷射介質熱效應的理論分析

在半導體泵浦棒狀雷射器中，由於泵浦光能量未能全部轉換成雷射輸出，在棒狀雷射工作介質中會產生較多的損耗熱，其產生的主要原因有：

(1) 泵浦帶與雷射上能級之間的光子能量差以熱的形式散逸到雷射晶體基質中，造成量子虧損發熱。

(2) 雷射下能級與基態能級之間的能量差轉換為耗散熱。

(3) 因為雷射躍遷過程中的螢光量子效率小於 1，所以除了產生雷射外，其餘能量產生熱。

棒狀工作介質溫度分布

對於採用側面泵浦方式的棒狀雷射器，雷射棒是浸沒在冷卻液中。雷射棒所產生的熱通過棒表面流過的冷卻液進行冷卻。簡化分析，可假設雷射棒內部發熱均勻，雷射棒光學無限長，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和小的變化可以忽略。

棒狀工作介質光彈效應和熱應力雙折射

通過前兩個小節的分析可以看出，Nd:YAG 雷射工作物質中的溫度分布的不均勻會產生熱應力，進一步會通過光彈效應使折射率發生變化，使原來的各向同性材料變為各向異性，即產生熱應力雙折射。

由於 Nd:YAG 單晶雷射晶體是立方晶體，所以其光率體是一個圓球，但是它在熱應力的作用下變為橢球。考慮常用的 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，雷射也沿著此方向傳播，因此分析主要考慮[1 1 1]方向的折射率變化。

棒狀工作介質熱焦距測量方法

對大功率棒狀固態雷射器而言，熱透鏡效應對雷射器性能有較大影響。同時在固體雷射器熱穩腔的設計中，也需要知道雷射棒的熱透鏡焦距值。所以，要獲得雷射棒的熱透鏡焦距值。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、發散角和熱焦距關係式間接測量等測量方法。本文採用一種簡單的測量連續大功率雷射器熱透鏡焦距的方法。在大功率雷射輸出時，利用諧振腔的臨界穩定條件計算有效熱透鏡的焦距。平行平面 諧振腔的臨界穩定點是對工作介質的熱透鏡敏感函式。可以通過雷射器的輸出功率測量，記錄由於有效熱焦距使諧振腔通過特殊臨界穩定的點，就能獲得有效地熱焦距值。