DPSSL

DPSSL英文全稱為Diode Pump Solid State Laser，即二極體泵浦固體雷射器，是近年來國際上發展最快，套用較廣的新型雷射器。該類型的雷射器利用輸出固定波長的半導體雷射器代替了傳統的氪燈或氙燈來對雷射晶體進行泵浦，從而取得了嶄新的發展，被稱為第二代的雷射器。

基本介紹

• 中文名：二極體泵浦固體雷射器
• 外文名：Diode Pump Solid State Laser
• 簡稱：DPSSL
• 類型：第二代的雷射器

基本資料

DPSSL英文全稱為Diode Pump Solid State Laser,即二極體泵浦固體雷射器。是近年來國際上發展最快，套用較廣的新型雷射器。該類型的雷射器利用輸出固定波長的半導體雷射器代替了傳統的氪燈或氙燈來對雷射晶體進行泵浦，從而取得了嶄新的發展，被稱為第二代的雷射器。 DPSSL的發展與半導體雷射器的發展是密不可分的。1962年，第一隻同質結砷化鎵半導體雷射器問世，1963年，美國人紐曼就首次提出了用半導體做為固體雷射器的泵浦源的構想。但在早期，由於二極體的各項性能還很差，作為固體雷射器的泵浦源還顯得不成熟。直到1978年量子阱半導體雷射器概念的提出，以及八十年代初期MOCVD 技術的使用及應變數子阱雷射器的出現，使得LD的發展步上了一個嶄新的台階。在進入九十年代以來，大功率的LD 及LD列陣技術也逐步成熟，從而，大大促進了DPSSL的研究。

本文著重以二極體泵浦的固體雷射器為主，先簡單介紹LD列陣的發展狀況，然後結合筆者所接觸的各種雷射器，從二極體泵浦頭的設計出發舉例敘述近年來出現的DPSSL 器件的技術特點和發展現狀。

二極體泵浦的固體雷射器(DPSSL)與傳統等泵浦雷射器的比較具有以下優勢： 1．工作時間長。傳統的氪燈或氙燈壽命只有幾百小時，最長的不超過2000小時。而用於泵浦的二極體雷射器壽命高達上萬小時，從而大大降低了使用者的維護成本。 2．低功耗。傳統的燈泵浦雷射器的轉換效率大約只有3%左右，泵浦燈的發出的能量大部分轉換成了熱能，造成了極大的能源浪費。而DPSSL所用的LD發出固定的，被雷射晶體吸收的808nm波長的雷射，光光轉換效率可高達40%以上，大大減少了運行成本。 3．體積小，便於設計小型化。一台DPSSL雷射器大約只有傳統燈泵浦雷射器體積的1/3甚至更小，便於攜帶。以及光光轉換效率高、光束質量好、可靠性強等優點。

技術特點：

1 端面泵浦（End Pump）固體雷射器端面泵浦方式最大的優點就是容易獲得好的光束質量，可以實現高亮度的固體雷射器。所以，對端面泵浦的嘗試一直也沒有停止過。在該系統中，泵浦源採用8W的半導體雷射器，輸出後經柱狀稜鏡組整形，將光束髮散角壓縮並聚焦後輸入雷射晶體。雷射晶體的靠近泵浦源的一端面鍍808nm的增透膜和1064nm的高反膜。808nm的增透膜使泵浦源發出的808nm波長的雷射進入雷射晶體前的損耗降至最低，而1064nm的高反膜與鍍有1064nm部分反射膜的輸出鏡結合起來，形成諧振腔，使1064nm的雷射產生振盪放大並輸出。該種結構中泵浦光束激活的晶體模體積較小，因而一般用於功率較小的場合，如ACI公司設計此款雷射器的目的是用於3W的雷射打標機系統中。但端泵的優勢在於輸出的雷射模式較好，便於實現TEM00輸出，在某些功率要求不高，需要準直的場合非常實用。如雷射測距，電子元器件的標記等方面。

2 側面泵浦(Side Pump)固態雷射器休斯航天航空實驗室的研究人員們側面泵浦棒狀Yb:YAG晶體獲得了0.95KW的大功率輸出。這是目前利用半導體雷射器泵浦單根Yb:YAG所得到的最大的功率輸出。側面泵浦（Side Pump）固態雷射器雷射頭是由三個二極體泵浦模組圍成一圈組成泵浦源，每個泵浦模組又由3個帶微透鏡的二極體線陣組成。每個線陣的輸出功率平均為20W輸出波長為808nm。該裝置採用玻璃管巧妙地設計了泵浦腔和製冷通道。玻璃管的表面大部分鍍有808nm的高反膜，剩餘的部分呈120°鍍有三條808nm增透膜，這樣便形成了一個泵浦腔。二極體泵浦源發出的光經過三對光束整形透鏡會聚到這三條鍍增透膜的狹長區域內，然後透過玻璃管的管壁，被晶體吸收。由於玻璃管大部分區域鍍有高反膜，使得泵浦光進入泵浦腔以後，便在其中來回的反射，直至被晶體充分地吸收，而且在晶體的橫截面上形成了均勻的增益分布。同時玻璃管還能用於製冷，高速通過的冷卻水將產生的熱量迅速帶走。晶體採用的是一根複合結構的Nd:YAG棒，有效尺寸為j3*63mm，摻雜濃度為1.5at.%.當泵浦光功率為180W時，得到了72W的雷射輸出。光光轉換效率高達40%。

3 薄片雷射器(Thin Disc Pump) 薄片雷射器是集端面泵浦與側面泵浦的優點於一身的一種新型的固體雷射器設計方案。由德國航空航天研究院技術物理所的研究人員們首次提出。它的基本概念是用光纖耦合輸出的半導體雷射器作泵浦源對非常薄的晶體進行端面泵浦，使泵浦光在幾百微米的晶體薄片中多次經過，同時使熱梯度的分布方向與雷射束的傳播方向相同。新的泵浦設計中用一個拋物面成像反射鏡代替了原來的4個球面成像反射鏡，使得泵浦光在晶體中經過的次數由原來的8次增加到16次。採用改進後的泵浦結構，在室溫下，用24W的連續雷射泵浦，用j3*0.2的Nd:YAG晶體薄片，得到了10W的TEM00連續光輸出，光光效率為41.7%。這種薄片雷射器具有按比例功率放大的特性，將多個薄片晶體級聯在同一個熱沉上，可有望得到光束近衍射極限的，高效率的千瓦級全固態固體雷射器。這種雷射器輸出的光學質量介於端面泵浦和側面泵浦之間，可得到較高的輸出功率和較好的光學模式。但是這種雷射器的設計和調試較為困難，因而不為大多數的雷射公司所採用。

4 光纖雷射器光纖雷射器是最近幾年由光通訊行業中的光放大器演變而來的。其一推出即引起了業界的震動，其良好的光學質量，較高的輸出功率，超長的壽命及無需維護的特點獲得了眾多公司的矚目。其嚴格來說，屬於端面泵浦的一種。現代高功率光纖雷射器的泵浦源是高功率的多模二極體，通過一個圍繞著單模纖心的雙包層來實現。在二十世紀七十年代，以一個單模光纖雷射器來替代固體雷射器或寬頻半導體雷射二極體的多模發射輸出的想法被首次提出。在簡單的雙包層光纖結構中，一個軸向的單模玻璃纖心被摻入人們所期望的雷射離子，如銣、餌、鎰、銩等。核心光纖被一層直徑幾倍於它的不摻雜的玻璃包層所包圍，具有更低的折射率。接下來是內部的泵浦包層，被更外一層不摻雜的玻璃包層所覆蓋，同樣具有更低折射率。在這種光纖結構中，多模二極體泵浦光通過一個複合光纖的終端面射入泵浦包層，通過光纖結構傳播，周期性地穿越摻雜質的單模光纖核心，並在核心光纖中產生粒子數反轉。

IPG雷射部門（現在為IPG Photonics的分支機構）研製出一種更先進的全加固側面並行泵浦光纖雷射器。它包括一個主動光纖，這種光纖具有可以和其他光學元件或增益級自由熔結的多面體結構，從而使泵浦光可從多點注入包層成為可能。這樣，一種簡單的光纖輸出功率的按比例縮放控制成為可行。其他的側泵浦技術還有V槽耦合。1996年，具有工業質量的衍射極限10瓦級包層泵浦光纖雷射器由IPG Photonics推向市場。Polaroid公司（劍橋，MA）、Spectra Diode實驗室（現在的JDS Uniphase）以及Spectra Physics不久也介紹了類似的雷射器。耦合多個100瓦級光纖雷射器的輸出功率可以很好地提升光纖雷射器的輸出功率到一個更高的級別。比如說，7個100瓦級光纖雷射器輸出的光束通過7個單模光纖傳送30米以上的距離，然後在一條多芯光纖波束耦合器中被合成，輸出一個直徑80 μm,發散角小於40 mrad的波束。這相當於一個輸出光束參數 1.6 mm mrad 的雷射；700瓦的耦合輸出功率可以以一束強烈的雷射作用在工件上，每平方厘米可達高於50千瓦的功率。比較而言，一個二極體泵浦固態雷射器典型的光束參數 10mm mrad,輸出功率密度也只有光纖雷射器的50分之一。700瓦級的光纖雷射器大小為55×60×95cm3 ，重量為120千克。這種形式的雷射器能夠根據需要的功率，將光纖加長，因而可以達到很高的功率。但其有一個致命的弱點就是單脈衝能量不高，這使得光纖雷射器的套用領域受到了一定的限制。目前，世界各國都把如何提高光纖雷射器的單脈衝能量作為一個重點的研發課題。總 結本文著重從實驗裝置和原理的角度出發，描述了近年來出現的幾種半導體泵浦的固體雷射器的核心部件-雷射頭的技術特點。高功率，高亮度的DPSSL一直是國內外雷射領域裡的前沿課題。

目前，國外千瓦級DPSSL系統已有諸多報導，日本還預計將在2005年實現輸出平均功率≥10KW,電光效率≥20%雷射頭的尺寸≤0.05m3的高功率全固態雷射器。國內的DPSSL發展相對落後，但隨著近年來，我國大功率LD及LD列陣製作工藝的逐步成熟，DPSSL必將有更加彭勃的發展。