半導體雷射器發出的光束通過一個比較大的凹面鏡反射到晶體上。薄片晶體被固定在凹面鏡拋物線的軸線上, 因此泵浦光束能很好地聚焦在晶體上。薄片的前表面鍍泵浦光和雷射的增透模, 後表面鍍兩個波長的全反模並焊接在熱沉上進行冷卻, 薄片的全反面拋物線凹鏡上的洞形成雷射器的另一個腔鏡。
基本介紹
- 中文名：端面泵浦薄片雷射器
- 外文名：endpumped thin disk laser
- 套用學科： 電子學
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1背景介紹
全固態雷射器(DPL)概述
自 1960 年休斯研究實驗室的科學家T. H. Maiman 發明世界上第一台雷射器以來，雷射技術的發展日新月異，逐步滲透到科研、娛樂、醫療、工業和國防等眾多領域並產生巨大影響。以雷射高技術為核心的相關產業已成為資訊時代的重要驅動力量，並帶動了整個高技術產業鏈的發展。雷射高技術在國民經濟建設、國防安全和科研領域發揮著不可替代的關鍵作用，是一項具有戰略性，全局性和帶動性的戰略高技術。全固態雷射器(DPL)集半導體雷射器(LD)和固體雷射器的優勢於一體，具有體積小、重量輕、效率高、光束質量好、可靠性高、壽命長、運轉靈便(連續/重複率/長/短脈衝)等一系列優點，已成為雷射發展中最具前景的方向之一。且它可通過變頻獲得寬波段輸出(紅外、可見、紫外甚至深紫外雷射)、便於模組化和電激勵等套用優勢，已經廣泛套用於科研、醫療、工業加工、軍事等領域，成為未來最優競爭力的雷射器之一。
全固態雷射器(DPL)研究背景和現狀
1960 年，即第一台雷射器誕生的同一年，R.Newma就首次提出雷射二極體（LD）泵浦固體雷射器的思想。1963年，他用Ga-As二極體在880nm附近的輻射來泵浦Nd:CaWO4 晶體，得到了1.06um的螢光輸出，從而宣告了第一台雷射二極體泵浦固體雷射器的誕生。由於當時LD在功率和可靠性方面均達不到泵浦光源的要求，最初的工作只是集中在側面泵浦方式上。1973年Rosenkrantz首次報導了脈衝工作的LD端面泵浦Nd:YAG雷射器之後，端面泵浦方式才受到廣泛關注並迅速發展。由於端面泵浦方式中泵浦光與雷射模共線，兩者可以很好的耦合，泵浦能量利用率高，所以閾值泵浦功率低、斜效率高。但是端面泵浦不能容納更大功率的泵浦光，因為大功率的雷射二極體列陣的發光孔徑隨功率成正比例增大，將其光束匯聚到端面泵浦所要求的小光斑面積是非常困難的，可喜的是近年來人們用光纖耦合的方法比較好地解決了這一問題。早期的GaAs雷射二級管採用同質結構，閾值電流很高而輸出功率和效率很低，且必須在液氮下工作，波長範圍也受限制，這一時期的全固態雷射器主要限於試驗研究。70 年代中期，出現了幾種新的固體增益材料，如NdP3O14(NPP)、LiNdP4O12(LNP)等，這些新雷射材料摻雜濃度高且較少引起雷射上能級的濃度淬滅，可以在小的模體積內使增益介質吸收更多的泵浦光能量，從而有效地降低閾值。
進入 80 年代，半導體雷射器及其陣列研究工作的巨大進展極大地推動了固體雷射器件、技術及套用的發展。8 由於晶體生長技術、分子束外延（MBE）、有機金屬化合物氣相外延（MOCVD）的日益成熟和量子阱結構的出現，LD的閾值電流已明顯降低，連續或準連續的輸出功率和轉換效率也有所提高，A.Larsson等人將LD的總效率提高到 50%以上，冷卻要求的降低減少了雷射器的機械噪聲，LD泵浦固體雷射器的線寬達到了當時儀器的測量極限 3KHz,輸出功率成倍增長，使用壽命顯著延長，現在已達到十萬小時。LD的發展，全面帶動了新型固體雷射材料和LD泵浦技術的發展，LD泵浦固體雷射器的工作也隨之上了一個新台階 進入 90 年代以來，雷射二極體技術繼續迅速發展，全固態雷射器的工作也隨著行的實用階段雷射二極體的發展邁上一個新的台階，取得了突飛猛進的發展，並達到了實用水平，美國Amoco Laser、Spectra－Physics、SDL公司等在該領域異常活躍的幾十個公司分別推出各種型號的連續和脈衝小型DPL雷射器。傳統燈泵浦固體雷射器賴以占有世界雷射器市場主導地位的所有各種振盪方式，使用雷射二極體作為泵浦源都可以成功的加以實現，全固態雷射器成為重要的發展方向之一。尤為引人注目的是以高功率全固態雷射器及其套用研究的新進展。1992 年麥道公司為釹玻璃板條雷射器製造了一個大泵浦源，陣列組件包含 6500 個雷射條，輸出峰值功率為 350KW。同年，美國勞侖茲－利弗莫爾國家實驗室成功研製出千瓦級高功率二極體泵浦Nd：YAG雷射器。1997 年Randall J.St.Pierre實現了LD陣列泵浦Nd：YAG MOPA的千瓦級輸出，倍頻後輸出綠光 5J/Pulse。1999 年日本東芝公司實現了半導體泵浦Nd：YAG連續 3.3KW峰值 13.2KW的雷射輸出。
二極體泵浦固體雷射器的發展更是異常活躍，2000年2月在瑞士舉美國光學學會先進固體雷射器（ASSL）上報導了用高亮度二極體泵浦Nd：YAG相位共軛雷射器獲得900W輸出的衍射極限光束的一篇論文。2002 年東芝公司報導了輸功率 11.3KW的半導體泵浦的全固態雷射器，電光轉換效率達22%。
國外千瓦級的二極體泵浦固體雷射器已進入工業和國防等領域的，相比之下，在國內，受資金及雷射二極體技術的限制，二極體泵浦固體雷射器的研究工作起步較晚，尤其是側面泵浦的固體雷射器很多仍處於實驗室階段，輸出功率小、穩定性差，難以在雷射加工系統中套用。
雷射二極體泵浦薄片雷射器
半導體泵浦固體雷射器的典型問題是其熱沉積的不一致，進而導致熱透鏡效應的出現。熱透鏡效應不僅不利於雷射器諧振腔的設計而且會使雷射光束質量下降，同時限制著功率輸出。要消除由於廢熱而引起的後果，必須減少熱量和熱流密度，減小熱流的傳導路程和對雷射場的影響。幾年來，關於這方面的研究有很多設計模型，比較理想的模型是薄片雷射器，薄片雷射器從原理上有效地克服了固體雷射器固有的熱效應問題。
薄片雷射器是一類有潛力的高功率雷射源，其主要優點是允許非常高的泵浦功率密度但在晶體內不會有太高的溫升。在縱向泵浦的平頂泵浦光束作用下這種結構可以產生垂直於圓盤表面、幾乎均勻的軸向一維熱流，因而可以減小熱透鏡效應。能有效去除增益介質的熱沉積，在獲得高功率雷射輸出同時，保持高效率和高光束質量。
2 發展歷史
1994 年德國航空航天研究院技術物理所的研究人員提出了薄片雷射器的概念，是全固態雷射器歷史上的一個里程碑，其結構特點是：雷射介質具有大的口徑/厚度比[(10~50):1]；採用面抽運、面冷卻；通過精密光學系統設計使光纖耦合輸出的抽運光在晶體薄片(100～400 m)中多次(8～32 次)通過，增加對其吸收(達到 90%以上)。這種結構的熱梯度分布方向與雷射束傳播方向相同，避免了熱透鏡效應引起的不利影響，而且，薄的晶體明顯降低了Yb:YAG 的重吸收損耗，從而提高了轉換效率。因此，薄片雷射十分適合高亮、高平均功率發展的需要。其不足之處在於：光學設計非常複雜，元器件多，不利於系統的穩定性；高功率抽運時要求在很小的面積(約幾十平方毫米) 內將千瓦級的熱帶走，其散熱系統設計十分困難。該結構將薄片增益介質採用某種方式焊接在微通道冷卻的熱沉上，這個過程應設法避免薄片介質在焊接過程中引入的應力。薄片增益介質的後端面作為腔鏡鍍抽運光和雷射的高反膜，前端面鍍二者的增透膜，輸出鏡一般採用球面鏡。抽運光以一定的角度入射在增益介質上，兩處通過增益介質後，出射的剩餘抽運光再次被反射回增益介質，如此反覆，抽運光多次通過薄片介質最後達到很高的吸收值，整個過程要求抽運儘量均勻化.
德國Trumpf- Laser公司採用多通耦合單個Yb:YAG薄片獲得5.3kW的雷射連續輸出，光光轉換效率達到 65%，是目前在單個薄片上獲得的最高的輸出功率。將多個薄片置於同一諧振腔進行定標放大是獲得高功率雷射輸出的有效途徑，Trumpf-Lase公司採用4個Yb:YAG薄片獲得超過9 kW的雷射輸出，M2因子小於24，Rofin-Sinar公司也採用4個Yb:YAG薄片獲得4kW的雷射輸出。國內中國工程物理研究院於 2007 年報導了採用 4 通耦合獲得 1.5kW 的薄片雷射輸出。
德國斯圖加特大學的研究人員對端面泵浦薄片雷射器做了大量的研究, 2000 年研究人員採用二極體端面泵浦直徑為5mm、厚度為224μm、摻雜濃度為9at.%的Yb:YAG薄片,獲得了647W 的雷射輸出,光-光轉換效率高達51 %。四個薄片串接獲得了1070W 的雷射輸出,光-光效率為48%.
國內多個單位也對端面泵浦薄片雷射器進行了研究工作,2002年清華大學李超等人在國內首次獲得16W 連續雷射(波長1030nm)輸出的二極體泵浦Yb:YAG薄片雷射器裝置及數據。2005年中國工程物理研究院套用電子學研究所姚震宇等人採用四通光學耦合端面泵浦系統, 通過提高二極體雷射器陣列輸出雷射強度分布的均勻性,最佳化經微柱透鏡準直後光束的發散角,實現泵浦光的近平頂分布,採用兩片1mm厚的Nd:YAG薄片雷射介質,在兩個峰值功率2000W,占空比為15%的二極體雷射器陣列抽運下獲得峰值功率1440W , 平均功率216W 的準連續雷射輸出,光-光轉換效率為36%, 光束質量M2因子約為12×13.
端面泵浦結構熱流的方向是平行於雷射腔軸的, 也就是說熱流是沿著薄片的軸向的, 這就導致了只有在軸向上有溫度梯度, 也意味著在腔內軸向方向上不會引起熱透鏡效應。用這種方法消除了一個最主要限制雷射器輸出功率的熱透鏡效應。但是軸向溫度梯度的存在意味著薄片上下表面的熱膨脹是不一樣的, 溫差過大時將會導致薄片晶體出現弓形,這等價於一個諧振腔鏡, 這雖然沒引起傳統意義上的熱透鏡效應, 但這個弓形結構是影響雷射模式的主要原因, 還會導致晶體的機械形變, 在泵浦密度足夠大時這種機械變形會使晶體破裂.
3概述
隨著半導體雷射泵浦源的發展, 以YAG (釔鋁石榴石)為基質, 摻Yb的固體雷射光譜和器件的研究有較大進展. 這種固體雷射器體積小, 輸出功率大, 可連續或高重複頻率運轉, 且光束質量好, 光/光轉換效率高, 僅直徑4 mm 長50 mm 的晶體就可輸出千瓦以上的功率. 近十年來, 基於Yb∶YAG 晶體的全固態雷射器已成為這一領域的研究熱點. 採用不同的泵浦光源及抽運模式, Yb∶YAG晶體可以實現脈衝、準連續和連續的雷射輸出, 在1030nm附近, 由於其支持倍頻、連續可調諧以及鎖模脈衝輸出,國外許多相關研究機構已將其作為發展高效、多用途、全固態雷射器的主要途徑.
