綠光雷射器

紫外雷射器、深紫外雷射器在軍事、工業、醫學、印刷等方面有著廣泛的套用,使用綠光作為泵浦源是目前產生紫外、深紫外雷射最有效、最廣泛的方法。

基本介紹

• 中文名：綠光雷射器
• 外文名：greenlaser

1綠光雷射的產生方法

(1)上轉換泵浦發射綠光雷射在固體材料中摻入稀土離子,用半導體雷射器或其他光源泵浦,直接利用稀土離子的能級躍遷而產生綠光雷射。此種方法基於上轉換效應,亦即激射光波長小於泵浦光波長。稀土離子的上轉換髮光機制一般可以分為激發態吸收、能量轉移和光子雪崩三種過程。

(2)半導體雷射器直接發射綠光雷射半導體雷射器是以直接帶隙半導體材料構成的PN結或PIN結為工作物質的一種小型化雷射器。半導體雷射器的激勵方式主要有三種,即電注入式、光泵式和高能電子束激勵式。按照波長

和套用領域,半導體雷射器大致可分為長波長和短波長兩種。在短波長一側,由於材料製備和器件工藝方面的困難,半導體綠光雷射器的研究進展一直比較緩慢,很長時間沒有達到實用化程度。

(3)非線性光學晶體倍頻方法這是實現綠光雷射較常用的方法。這種方法可分為直接法和間接法。直接法就是將半導體雷射直接輸入到波長變換元件上,倍頻後得到綠光雷射輸出。這種方法特點是結構簡單、倍頻容易,而且變換頻率高,但輸出的綠光雷射線寬較寬,波長穩定性差。間接法又可分為兩種:a、利用半導體雷射泵浦Nd3+、Er3+等稀土離子激活的固體雷射器,然後再經過波長變換元件實現倍頻。這種方法在結構上較為複雜,但可以得到好的雷射光譜和波束特性。另外這種方法還可以利用固體雷射器能級壽命長的優點,實現能量積累,從而得到高能量雷射輸出。b、利用既可發射雷射、又可以同時實現波長變換的自倍頻晶體材料實現雷射輸出,例如錢和氧化鎂共摻的妮酸鉀和硼酸欽憶鋁以及KTP:Cr。

2綠光雷射的套用

全固態雷射器正朝著多波長方向發展,其中LD泵浦全固態綠光雷射器發展迅猛,在各領域套用廣泛。

在醫療方面的套用

由於人眼對綠光最為敏感,532ITm波長的脈衝雷射可用於眼科手術;該脈衝綠光亦可用於治療血管性疾病,設計製造輸出功率為3W的532nm調Q脈衝雷射器用來治療中風。脈衝綠光雷射器因其功率高,所以對皮膚的作用時間相對較短,這樣雷射不會對目標組織周圍的皮膚組織產生非選擇性加熱,從而不會導致熱損傷,降低了手術危險性。

在彩色顯示領域的套用

與其它顯示光源相比,雷射顯示技術具有色域寬、色純度高、顯示畫面尺寸靈活可變、無有害電磁射線輻射等獨特優點,可用於家庭影院、數碼影院、超大螢幕投影、公眾信息大螢幕以及教學演示、虛擬現實模擬等眾多領域,成為家庭及室外未來首選的視頻顯示設備。雷射顯示的圖像比現有彩色電視色彩更豐富、顏色更鮮艷,能反映自然界的真實色彩,甚至能顯示虛擬顏色,所以大功率三基色全固態雷射器作為雷射彩色顯示的關鍵技術,己成為當前國際雷射領域研究的一個重大發展方向。

在雷射精密加工的套用

綠光雷射由於其亮度高、聚焦光斑小、作用時間短、熱影響區小、工件不會因加工而產生大的形變等優點,可以對一些硬度高、脆性大的材料進行加工,在精密加工中顯示出它獨特的優越性。除此之外,雷射在電子工業中也得到廣泛套用,可以用來調整微型電阻的阻值。隨著雷射器性能的改善和新型雷射器的出現,雷射在超大規模積體電路方面的套用已經成為許多其他工藝所無法取代的關鍵技藝,為超大規模積體電路的發展展現出令人鼓舞的前景。

作為雷射泵浦源

紫外雷射器、深紫外雷射器在軍事、工業、醫學、印刷等方面有著廣泛的套用,使用綠光作為泵浦源是目前產生紫外、深紫外雷射最有效、最廣泛的方法。LD泵浦的固體雷射器可以作為飛秒雷射器的泵浦源,如用綠光雷射器作為泵浦源,泵浦Ti:Al2O晶體產生飛秒脈衝。另外,綠光雷射器還可作為參量振LD泵浦全固體連續綠光雷射器盪器的泵浦源。除此之外,全固體綠光雷射器還在光存儲、信息處理、雷射光譜與全息、相干通訊、雷射娛樂、雷射雷達、干涉測量、光學數據存儲、軍事工業等領域也有著廣泛的套用。因此,全固體綠光雷射器具有十分重要的科學研究價值和廣闊的套用前景。

3LD泵浦全固態綠光雷射器的發展狀況

第一台全固態小型綠光器件是利用線列發光二極體泵浦Nd:YAG和妮酸鋇鈉晶體倍頻得到的,重複頻率100Hz,平均功率為2mw。此後,國外LD端面泵浦腔內倍頻全固體綠光雷射器的研究進展迅速。

在連續綠光方面,1999年日本T.Kojima等人將諧振腔改為四鐿z型摺疊腔,YAG雙棒串接,獲得光束質量較好的連續穩定的綠光輸出,功率為27w,M等於8;當輸出為TEM₀₀模時,最大功率為16w,對應的光一光轉換效率分別為8.2%和4.8%,這是採用棒狀工作物質的傳統全固態綠光雷射器的最高功率。2001年,D.Yshen等人又採用二極體端面泵浦Nd:GdvO4服TP,直腔結構,在注入功率為8.4W時,532nln的功率輸出達到1.95W,光一光轉換效率為23.2%。同年,P.De球er等人利用自倍頻晶體Yb:YAB實現了1.1w連續綠光輸出,光一光轉換效率為10%,這是當時自倍頻晶體輸出綠光達到的最高功率,M為1.2。2004年,推出了18w的全固態連續綠光雷射器,採用Nd:YVO在BO組合,環行腔結構,輸出單縱模綠光,不僅避免了“多縱模競爭噪聲”成為“安靜”的商用化高功率雷射器,同時得到了最高的泵浦轉換效率,成為長期穩定性最高的固體雷射器。2005年,XiaoyuanPeng等人採用Nd:YLF晶體和臨界相位匹配的LBO倍頻晶體,採用雙端泵浦,實現了20.5W的527lun雷射輸出,MZ=1.2,相應的光一光轉換效率為342%,綠光的功率不穩定性小於1%。ELs公司開發的MonoDisk-515-MP系列全固態disk雷射器實現了50w的5巧nIn連續綠光輸出,MZ<1.1。

在準連續綠光方面,2000年SusumuKonno等人採用雙棒L型腔,當泵浦功率為800W、重複頻率10kHZ時,用LBO晶體腔內倍頻單端輸出138W的綠光;2001年,美國LLNL的chang等人報導,他們采綠光雷射器的用途和實現方法.

4綠光雷射器的用途

綠光在生物、工業、印刷、醫療、存儲、顯示和軍事等方面具有廣泛的套用。在醫學治療方面比較常用的是脈衝綠光雷射器(優點是功率高、所需的作用時間短、危險性低),在眼科手術中之所以選擇綠光是因為人眼對該譜段的光最敏感,例如比較常見的是用於治療近視的手術中;同時可用來治療前列腺、血管性、新生兒高膽紅素血症等疾病。在光存儲方面,由於光存儲密度和光波長的二次方成反比,所以縮短波長是提高光存儲密度的有效途徑,相比之前常用紅外和近紅外波段,採用綠光作為光存儲的光源能極大提高光存儲密度。在顯示方面,目前好多雷射筆都採用綠光雷射器,2009年廣州生產的雷射筆對電腦的遙控距離可以達到20m左右。在工業方面,摻鐿綠光脈衝光纖雷射器峰值功率極高,可用於打標、焊接、雕刻等領域。在軍事上綠光雷射器可用來做雷射制導、雷射防空等。

綠光雷射器的實現方法

對於綠光雷射器來說,綠光的獲得有幾種方法:

(a)非線性效應實現頻率變換:可通過對固體雷射器例如Nd:YAG或者Nd:Yvo4輸出的波長為IO64Iun的雷射用非線性晶體倍頻獲得532nrn的綠光輸出或者對摻Yb3+或N子+離子的光纖雷射器輸出的1.0-1.2um波段的雷射用非線性晶體倍頻得到綠光輸出。國外在固體綠光雷射器方面的研究和產業化方面都相當成熟,例如2005年,日本的T.Kojima等人獲得了400w的綠光輸出,同年中科院物理所採用摺疊腔輸出了平均功率為121w的綠光。國外在綠光光纖雷射器方面的發展較快,2000年英國採用摻鐿的光纖放大器用KTP晶體倍頻後獲得了6w的綠光輸出,2009年日本的Momokoaka等人採用兩塊倍頻DKDP晶體對大數值孔徑Nd:glass雷射器進行頻率變換得到了75的脈衝綠光輸出。國內則相對緩慢一些,2004年上海光機所對摻鐿光纖雷射器用PPLN晶體倍頻輸出59mw的綠光。2007年天津大學的採用PPKTP晶體對輸出為lo64nln的光纖雷射器倍頻得到綠光的輸出功率為0.14mw。國內在摻欽綠光光纖雷射器尚不是很成熟,所以對其進行研究就顯得很有意義。而且相比目前發展很成熟的固體綠光雷射器,光纖雷射器具有效率高、散熱好、體積小、閉值低、可調諧、線寬窄和結構緊湊等優點。偽)對輸出波長為近紅外的半導體雷射器(倍頻或和頻I`.40]:加07年德國研製成功了Ti:Sapp址re半導體雷射器和另一個中紅外半導體雷射器通過BBO和頻輸出了波長為527nln的綠光[l.4刀。國內在2001年由中科院上海技術物理研究所的紅外物理國家實驗室採用KLN晶體對Ti:Sapphire半導體雷射器輸出的820-960nln的雷射倍頻獲得藍綠光的輸出。相比(a)方法,該方法的缺點是輸出雷射的光束質量較差。

5全固態綠光雷射器的研究現狀

在雷射二極體泵浦固體雷射器中,一個重要的研究方向就是開展二極體泵浦的綠光雷射器件的研製,由於它在信息、娛樂、加工等產業及軍事、科研等領域是關鍵的新一代光源,美國、法國、日本等國家均投巨資研究開發高平均功率的雷射二極體泵浦綠光固體雷射器,近幾年在國際上成為競相研究開發的熱點。

獲得綠光光源的方法有許多,其中氫離子氣體雷射器能夠直接產生藍綠雷射光源,連續輸出功率可以達到幾十瓦,但是氫離子雷射器的電源體積龐大,設備複雜,需要外設多,效率低;銅蒸汽雷射器也是產生高功率黃綠雷射器的一種重要方法,它可以輸出百瓦級的平均功率,重複頻率可以達到100kHz,但是由於銅蒸汽屬於重金屬有毒,而且體積特別大,電源複雜。隨著非線性光學頻率變換技術的發展,採用非線性倍頻獲得高功率的綠光光源成為可能。

從二十世紀六十年代到八十年代期間,人們利用各種非線性晶體材料進行內腔倍頻Nd:YAG雷射器以獲得綠光光源。1968年,J.E.Geusic等人利用非線性晶體內腔倍頻實現輸出功率為1.IW的綠光;1982年,Y.5.Liu等人採用11類相位匹配的KTP,在調Q內腔雷射器中,獲得重複頻率為5kHz輸出平均功率為5.6W的綠光;1983年姚建銼院士}'5},利用3.7mm長的KTP晶體內腔倍頻IO64nm雷射獲得平均功率為11w的綠光,重複頻率為2.skHz,是當時國際最高水平;到1986年,T.M.Baer日用GaAIAs雷射二極體泵浦Nd:YAG內腔倍頻獲得幾十mw的綠光輸出,開創了全固態綠光雷射器的先河。同年,山東大學晶體所利用助溶劑法生長出42.5 13.6Inm的大尺寸KTP晶體,結束了美國對我國倍頻晶體的出口限制。1987年,姚院士領導的課題組利用國內生產的KTP晶體內腔倍頻技術獲得了平均功率為34W的國際最高水平。

進入二十世紀九十年代,具有壽命長、可靠性高、體積小、效率高等優點的高功率、高重複頻率全固態綠光雷射器得到了空前的發展。法國的B.J.Le採用30個連續二極體雷射器側面泵浦單棒,在Z型腔中用KTP晶體內腔倍頻,雙端輸出重複功率27kHz,106w的高功率綠光,電光轉換效率為5.4%1998年Ericc.Honea娜j等人採用端面泵浦、雙調Q以及v型腔內腔倍頻技術,實現140w綠光輸出,是目前端面泵浦獲得綠光最高功率;同年,美國的Chang等人報導,他們採用自行研製的ePe聚光腔,當二極體側面泵浦功率為1180W時,實現451W的連續基頻雷射輸出,採用L型諧振腔,LBo晶體腔內倍頻,實現了182w的13kHz綠光輸出陣'];1999年日本的T.Kojima等人採用四鐿z型諧振腔獲得光束質量較好的連續穩定的27W綠光輸出;2004年韓國的Jonghoony採用z型腔實現398w泵浦功率下輸出lo1w的綠光,光光轉換效率為25.4%,是目前較高的轉換效率。

隨著國產半導體雷射器質量的提高以及國外半導體雷射器價格的降低,國內全固態高功率綠光雷射器的研究也有了極大的進展。2000年,中科院物理所與山東師範大學用LD雙向抽運Nd:YVO4晶體,KTP腔內倍頻,獲得最大連續波綠光輸出8.8w,光一光轉換效率達31.50/01241;2002年,天津大學等單位研製了高功率Nd:YAG倍頻綠光雷射器,獲得532lun綠光輸出20w少];2003年,天津大學雷射與光電子研究所採用美國CEO公司的1600W半導體抽運組件,在抽運電流為18.4A,聲光重複頻率20.7妞z時,·獲得了功率達104W的高功率、高重複頻率532nm綠光輸出,脈衝寬度小於130ns,倍頻效率約為50%,不穩定度小於1%晰l;2006年,王暖讓等採用U型腔,雙聲光Q開關、雙Nd:YAG晶體棒、單KTP晶體、雙端輸出獲得了重複頻率為10kHz,脈衝寬度優於49ns,輸出功率為138W的高功率、高重複頻率、窄脈寬綠光輸出四;姚震宇等採用KTP晶體倍頻的L型腔半導體抽運Nd:YAG雷射器,獲得了雙端162w的調Q綠光輸出。