薄片雷射器

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。

基本介紹

• 中文名：薄片雷射器
• 外文名：Thin disk laser

1概述

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。

雷射晶體的厚度一般都在幾百個微米 左右，並且薄片雷射器的諧振腔長度都非常短，最典型的薄片雷射器的諧振腔的腔長就等於薄片介質本身的厚度，即薄片晶體的前後兩個表面分別是微型諧振腔的兩個端鏡，這一方案可以通過在其前後兩個表面上鍍膜而實現。正是由於薄片雷射器晶體薄、腔長短，這就使得腔內兩個縱模的頻率間隔增大，進而超過增益頻寬，即在螢光譜線的寬度內，只有一個縱模存在，故而容易獲得單縱模雷射振盪。

薄片雷射器基本結構

首先就其外觀來說，二極體泵浦的薄片雷射器具有體型小、結構簡單緊湊、重量輕、集成化的優點；另外，薄片雷射器中的雷射晶體在特別高的抽運功率密度作用下，即在不斷升高注入的泵浦功率的情況下，薄片晶體內的溫度基本保持不變，從而很大程度地降低了雷射晶體的熱效應，進而提高了輸出雷射的光束質量；薄片結構中雷射介質所產生的熱流沿其雷射振盪的軸向方向，即採用軸向散熱，這樣就能夠快速將雷射介質上的熱沉積帶走，使抽運效率得到提高；薄片雷射器大都採用多通泵浦方式，即泵浦輻射光多次通過薄片晶體，利於雷射晶體對泵浦光功率的吸收；薄片雷射器的輸出功率穩定性很高，且能維持高效運轉，正因為它的可靠性高，且成本低，因此更加適合工業加工生產。

正是由於以上所述的各種優勢，二極體泵浦的薄片雷射器的套用非常廣泛。在材料微加工方面，LD 泵浦的薄片雷射器的輸出穩定且功率高，輸出的雷射光束質量好，在材料微加工行業倍受青睞，例如，在薄金屬打孔及焊接中，薄片雷射器打出的孔要比其他類型的雷射器要深並且邊緣很光滑；LD 泵浦的薄片雷射器單頻性好，被廣泛套用於光信息的儲存、全息等領域；近年來，薄片雷射器軍事領域也逐漸嶄露頭角，利用雷射進行測距、制導等技術已經廣泛套用，雷射武器也逐漸成為各個國家追逐的新寵，2013 年 8 月，美國波音公司開發的薄片雷射器系統實現了具有非常高的電光轉換效率，獲得了輸出功率為 30kW 的雷射輸出，已經達到了武器級水平，可以提供在多種戰術任務下的精確打擊能力.

2薄片雷射器研究進展

自從 1994 年德國斯圖加特大學 Adolf Giesen 等人提出薄片雷射器的概念之後，薄片雷射器以其獨特的結構優勢和優異的輸出性能被國內外各研究機構所青睞，各研究機構針對薄片雷射器連續與脈衝運轉方式開展了一系列研究工作。

國外研究進展

國外各科研機構對於連續運轉條件下薄片雷射器研究進展如下： 2000 年德國斯圖加特大學 I. Johannsen等人採用雙晶體摺疊腔抽運系統實現了對Nd:YAG薄片晶體的16程泵浦，最終得到60W的1.06m連續雷射輸出。

2004 年英國 University of Strathclyde 的 A. J. Kemp 等人實現了對 Nd:YAG 薄片晶體的 4 程準連續泵浦，獲得了 75W 的 1063nm 連續雷射輸出，光光效率為46%。

2006年德國漢堡大學N. Pavel等人使用摻Nd3+ 薄片介質並對其進行16程泵浦，分別實現了輸出功率大於10W的1.06m雷射輸出，光光效率大於40%、輸出功率為4W的0.946m雷射輸出，光光效率為14%、輸出功率3.4W的0.91m雷射輸出，光光效率為12%。

2006年Trumpf Laser Technology研究人員利用單片Yb:YAG 晶體實現了5.3kW的連續雷射輸出，光效率高於65%，整體光光效率高於25%，光束質量因子M2低於24。

2007 年 Trumpf Laser Technology 研究人員進一步改善薄片雷射器結構利用四片薄片晶體組成的雷射器實現的最大輸出雷射已經可以達到8kW，光光轉換效率在60%以上。

2010年德國斯圖加特大學David Blazquez-Sanchez研究小組採用單片Yb:YAG 晶體對其進行 32程抽運，最終實現了5kW的連續雷射輸出，其光束質量因子 M2為 9.2。

2010年Trumpf Laser Technology 所研製的工業用薄片雷射器系統最大雷射輸出功率可以達到16kW，具有隨功率基本不變的高光束質量輸出，發散角在8mrad 以內，功率不穩定度小於 1%。

國外各科研機構脈衝運轉薄片雷射器研究進展如下：

2004年德國斯圖加特大學F. Butze和Adolf Giesen 採用Yb:YAG 晶體通過聲光調 Q 方式實現了脈衝雷射輸出，1kHz 時，1030nm 雷射的單脈衝能量可以達到18mJ；13kHz 時，雷射輸出平均功率為64W，光效率為34%；低重頻時，脈寬可以達到250ns，其光束質量因子 M2小於2。

2007 年德國斯圖加特大學 Adolf Giesen 和 Christian Stolzenburg 將 BBO 晶體製作的普克爾盒用於 Yb:YAG 薄片雷射器結構中，運轉重頻 100kHz 時，其輸出平均功率為208W，脈衝寬度為 350ns。在重頻50kHz時，其倍頻綠光輸出平均功率可以達到102W。

2009年 rumpf Laser研究小組利用腔倒空技術實現Yb:YAG薄片雷射器脈衝雷射輸出，其最高平均功率可以達1200W，光光轉換效率接近 60%，脈寬在10-100ns之間，單脈衝能量可以達到110mJ，脈寬30ns，峰值功率可以達到3 MW。

1.5.2 國內研究進展

2005年中國工程物理研究院套用電子所姚震宇研究團隊採用四程抽運系統，通過提高LD輸出雷射強度分布的均勻性，實現了抽運光的近平頂分布，使用兩片厚度為1mm的Nd:YAG薄片晶體，通過2個峰值功率為2000W的LD抽運，最後獲得了最高峰值功率和最高平均功率分別為1440W和216W的準連續946nm雷射輸出，整個系統光光轉換效率達到36%，光束質量因子M2小於13。

2010年中科院長春光機所田玉冰等人採用四程抽運的Yb:YAG薄片雷射器。薄片晶體摻雜濃度為10%，直徑為10mm、厚度為340m。在LD抽運功率為18.73W時，最終實現了4. 81W的連續雷射輸出，整個系統光光轉換效率為25.7%。

2010年中國工程物理研究院套用電子所王春華研究小組實現了對厚度為200m，直徑10mm，摻雜濃度為10%的Yb:YAG薄片晶體的16程抽運，在此基礎上利用Z型腔結構，採用聲光調Q開關，使用LBO腔內倍頻方式，運轉重頻為5kHz，在泵浦功率為81.5W時得到了輸出平均功率為10.2W的515 nm綠光輸出，脈寬為150ns，光光效率為 12 .5%，光束質量M2小於2。

2011年中國工程物理研究院套用電子所王春華研究小組基於Yb:YAG薄片的l6程抽運耦合系統，通過微通道冷卻散熱的方式，採用單片厚度為250m、直徑10mm、摻雜濃度為10%的Yb:YAG薄片晶體進行了1030nm連續雷射輸出實驗研究。在LD抽運功率為69.5W時，使用曲率半徑為-800mm的輸出耦合鏡，最終實現了27W的1030nm連續雷射輸出，雷射系統光光效率為38.8%；採用曲率半徑為-2000mm的輸出耦合鏡，得到了18.65W的1030nm連續雷射輸出，整個系統光光效率為26.8%，光束質量M2約為1.1。

3分類

連續薄片雷射器的發展現狀

1991年，日本福井大學工學院的Takunori Taira等人利用Nd離子摻雜濃度為11%的 Nd:YVO₄晶體獲得了光-光轉換效率為 32.4%，輸出功率為103mW 的 1064nm 的雷射輸出，雷射器的閾值功率約為 5.3mW。1994 年，美國貝爾實驗室的 A.Bruce 等和寶麗來公司的 P.Gavrilovic 等科研人員利用高摻雜濃度的 Nd:YAG 晶體，在雙二極體泵浦的條件下，獲得光-光轉換效率為 45%的輸出功率為 210 mW 的 1.3μm 雷射輸出，並且當控制雷射介質的溫度時，實現了雷射頻率調諧度大於 170GHz 的可調諧輸出，穩定度很高。同年，德國 Giesen等利用 Yb離子摻雜濃度為9%的 Yb:YAG 晶體作為雷射增益介質，設計了具有多通泵浦結構的二極體泵浦的Yb：YAG薄片雷射器。雷射晶體直徑為2mm，厚度為 300μm，當泵浦功率為12W 時，經過多通泵浦系統後晶體薄片吸收的泵浦光有6.72W，即晶體吸收了56%的泵浦光，最終獲得雷射功率為2.3W的1030nm雷射輸出。此後，斯圖加特大學對薄片雷射器的研究快速發展。1995 年，在以往結構基礎上，將一個具有雙折射作用的濾波片放入 Yb:YAG 薄片雷射器的諧振腔中，獲得了1018nm 到 1053nm的可調諧的連續雷射輸出。1997年，在雷射增益介質不變的情況下，將晶體冷卻裝置的溫度設為-67℃，當泵浦功率 519W時，輸出連續雷射的功率為255W。2000年，斯圖加特大學的I.Johannsen 等研究人員利用二極體泵浦雙晶體進行實驗，在摺疊腔中獲得了輸出功率為60W的 1060nm 連續光輸出。同年，C.Stewen 等利用 Yb:YAG 薄片雷射器獲得了輸出功率為647W的連續雷射輸出，其中，雷射晶體厚度224μm，Yb離子摻雜濃度9%，泵浦光與雷射的轉換效率為51%，在此基礎上升級實驗，利用四個薄片Yb:YAG 獲得了1070W的功率輸出。2003年，日本岡崎雷射研究中心的科研人員改變雷射晶體的摻雜結構，即在雷射晶體中心 2×2mm處採用摻雜 Yb離子濃度為 10%的 Yb:YAG，而在其邊緣，是沒有摻雜的陶瓷基底 YAG，雷射介質厚度為 400μm，利用二極體邊緣泵浦方式，獲得了M2=5 的 90W的1030nm連續雷射輸出，光-光轉換效率是28%。同年，德國ELS公司生產的VersaDisk薄片雷射器，通過巧妙的設計，獲得100W的1030nm 連續光輸出，之後又加了倍頻晶體，獲得了 15W 的倍頻光輸出。2004年，英國斯特拉斯克萊德大學的 A.J.Kemp 等人採用四通準連續抽運雷射晶體的方式，在 Nd:YAG 薄片雷射器中獲得了輸出功率 75W，光-光轉換效率46%的1063nm連續光。同年，德國Trumpf laser 公司利用在一個諧振腔里放多個薄片的方式，即通過定標放大來提高雷射的輸出功率，用二極體泵浦四個Yb:YAG薄片，實現9kw的連續雷射輸出，M2<24。2006 年，A.Shirakawa 和A.A.Kaminskii 等科研人員在雷射晶體厚度1mm、Yb離子摻雜濃度 10%的 Yb:YAG 薄片雷射器中，利用 F-P 腔獲得了光-光轉換效率 85%的雷射輸出，同時比較了Yb離子不同摻雜濃度下雷射器的性能。2007 年，德國 Trumpf Laser 技術公司在 2004 年的基礎上，最佳化薄片雷射器結構，輸出雷射功率最大可以達到 8kW，光-光轉換效率大於 60%。2008年德國漢丁堡大學雷射物理學院的科研人員利用Yb:Lu2O3為薄片工作物質得到斜率效率為 80%的寬頻可調節高功率薄片雷射器，該雷射器當泵浦功率為45.3W 時輸出功率為 32.6W，同時利用一個 1mm 的雙折射濾波器使得雷射波長從 987nm 到1127nm 連續可調，輸出功率為 10W。2010 年，Trumpf Laser 技術公司的薄片雷射器可以產生的最大功率為 16kW，發散角很小，在8mrad 之內，雷射器功率穩定性大於99%，足以滿足工業需求。2012年，德國斯圖加特大學利用一種新的雷射增益介質 Yb:Sc₂SiO₅(Yb:SSO)晶體，在薄片雷射器中獲得了斜效率為 25.4%的雷射輸出，輸出功率為9.4W。同年，他們又利用薄片Yb:Lu₂O₃晶體實現了連續雷射輸出，晶體厚度140μm，在V型腔中獲得功率為670W的雷射輸出。

國內對於薄片雷射器的研究相比國外來說比較少。國內第一台二極體泵浦的薄片雷射器是在 1993 年由中國科學院上海光學精密機械研究所研製的，在室溫下該 Nd:YAG 薄片雷射器能夠獲得單模輸出。近年來，我國對二極體抽運的薄片雷射器的研究越來越多。2001 年，中科院上海光機所李小莉等研究人員利用厚度 350μm 的 Yb：YAG 雷射晶體得到輸出功率為 15.9W 的連續雷射輸出，斜效率大於 40%。2002 年，清華大學李超等人在二極體泵浦的 Yb:YAG 薄片雷射器中獲得 16W 的 1030nm 連續雷射輸出。2003 年，中科院安徽光機所的陳長水等科研人員利用錐形鏡將 940nm 的雙程抽運光泵浦到直徑為 10mm，厚度為 1mm，Yb離子摻雜濃度為 5%的 Yb:YAG 增益介質中，實現了斜率效率為24%的 1030nm 連續雷射輸出，雷射功率為 2.1W。2004 年，北京理工大學的李磊、楊蘇輝等利用循環水水冷裝置，實現了 3.06W 的雷射輸出，國產 Yb:YAG晶體的規格為直徑 7mm，厚 1.6mm，Yb離子摻雜濃度為 8%，斜效率為 33%。2005 年，四川大學雷射物理與化學研究所的姚震宇、呂百達等人利用四通泵浦系統，用兩個峰值功率為2kW 的二極體雷射器泵浦兩個Nd:YAG 雷射增益介質，其厚度均為 1mm，最終實現了最高峰值功率為1440W的準連續雷射，光-光效率為 36%。2007 年，清華大學課題組的研究人員實現了二極體雷射器側面泵浦的複合雷射晶體（Yb:YAG/YAG）的薄片雷射器2008年，西安電子科技大學利用五個LD對稱地對Nd:YAG薄片晶體進行泵浦，晶體直徑15mm，厚度1.5mm，連續雷射輸出功率為65.7W。2011 年，中國工程物理研究所的王春華等採用 16 通泵浦系統，利用直徑 10mm，厚 250μm 的 Yb：YAG 雷射晶體獲得了 27W 的連續光輸出，Yb離子摻雜濃度為 10%，光-光轉換效率為 38.8%。