新一代高功率固體綠光紅外激光器及其科研應(yīng)用

1、新一代高功率固體綠光/紅外激光器及其科研應(yīng)用新一代高功率固體綠光/紅外激光器及其科研應(yīng)用薄片式Y(jié)b:YAG激光器GuenterHummelt(德國(guó)ElektronikLaserSystemGmbH公司)張志偉博士（北京晨輝日升光電技術(shù)有限公司，北京，100102）摘要：介紹了薄片式固體激光器的原理，Yb:YAG晶體的特性及其與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG晶體固體激光器的對(duì)比，VersaDisk固體激光器作為一個(gè)光學(xué)平臺(tái)所具有的強(qiáng)大功能及給用戶所帶來(lái)的方便靈活和擴(kuò)展空間，最后介紹了該激光器在科研領(lǐng)域的應(yīng)用。薄片式半導(dǎo)體新一代高功率固體綠光/紅外激光器及其科研應(yīng)用薄片式Y(jié)b:YAG激光器Guenter H

2、ummelt(德國(guó)Elektronik Laser System GmbH公司)張志偉 博士（北京晨輝日升光電技術(shù)有限公司，北京，100102） 摘要：介紹了薄片式固體激光器的原理，Yb:YAG晶體的特性及其與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG晶體固體激光器的對(duì)比，VersaDisk固體激光器作為一個(gè)光學(xué)平臺(tái)所具有的強(qiáng)大功能及給用戶所帶來(lái)的方便靈活和擴(kuò)展空間，最后介紹了該激光器在科研領(lǐng)域的應(yīng)用。 薄片式半導(dǎo)體泵浦固體激光器被認(rèn)為是近期來(lái)激光技術(shù)最著名的進(jìn)展之一。它基于一種革命性的固體激光器設(shè)計(jì)理念，最近幾年中已經(jīng)成為科研及工業(yè)加工的得力助手，最近幾年更是進(jìn)入了批量化生產(chǎn)階段。薄片式固體激光器可以輸出很高的功

3、率（連續(xù)或脈沖），同時(shí)擁有非常好的光束質(zhì)量。http:/ Yb:YAG激光晶體作為特殊的激光工作物質(zhì)，它不僅具有YAG激光基質(zhì)材料本身優(yōu)良的物理性質(zhì)和穩(wěn)定的化學(xué)性能，而且具有很好的激光工作性能。激光波長(zhǎng)為1030nm，峰值吸收波長(zhǎng)在940nm附近，吸收帶寬很寬（18nm940nm），熒光壽命長(zhǎng)(0.95ms)，量子效率高（91%），在相同的半導(dǎo)體泵浦功率下，Yb:YAG泵浦生熱為Nd:YAG的13。能夠很容易的被可靠的InGaAs半導(dǎo)體激光器所泵浦，是一種新型的、適合LD泵浦的高平均功率和高光束質(zhì)量的發(fā)射1um左右波長(zhǎng)的激光材料。另外，由于其二倍頻是515nm，接近Ar離子激光器的波長(zhǎng)514.

4、5nm，從而使其有可能替換用戶現(xiàn)存的大量氬離子激光器，因此在激光領(lǐng)域內(nèi)受到越來(lái)越多的關(guān)注。 由德國(guó)斯圖加特大學(xué)的Adolf Giesen博士及其研究小組發(fā)明的薄片式固體激光器技術(shù)，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)采用傳統(tǒng)棒狀晶體設(shè)計(jì)的Nd:YAG固體激光器。由于該項(xiàng)專利是由德國(guó)政府資助的，所以只能許可給德國(guó)的激光公司。這也是目前只有德國(guó)的激光公司能夠生產(chǎn)薄片式固體激光器的原因。德國(guó)ELS公司是最早的也是世界上唯一生產(chǎn)高功率薄片式單頻連續(xù)固體激光器的廠商，所生產(chǎn)的VersaDisk激光器獲得Photonics Excellence Award2003大獎(jiǎng)，是當(dāng)年世界上唯一獲此殊榮的固體激光器。因此VersaDis

5、k正在被越來(lái)越多的科研用戶所接受，而這一切都得益于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念和與眾不同的性能。而且VersaDisk515進(jìn)一步拓展了高功率固體綠光激光器的應(yīng)用領(lǐng)域，打破了該市場(chǎng)過(guò)去一直被美國(guó)的激光公司所占領(lǐng)的局面。1 原理 薄片式激光器的稱謂來(lái)源是因?yàn)樗木w形狀為薄片式，厚度通常為200微米，直徑為10mm。由半導(dǎo)體激光器從晶體的前表面進(jìn)行泵浦，近似于常用的端泵技術(shù)。薄片晶體整個(gè)粘接在熱沉上，所以晶體的冷卻效率非常高（圖1）。由于晶體的厚度很薄，所以每次半導(dǎo)體激光器的泵浦光穿過(guò)激光晶體時(shí)只有一部分泵浦光被其吸收，為了提高它的泵浦效率，在其前部放置一塊拋物面鏡，使未被吸收的泵浦光多次通過(guò)晶體來(lái)提高泵浦

6、效率，一般的次數(shù)為32次，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的激光輻射。圖1 薄片式激光器原理圖 圖2 薄片式Y(jié)b:YAG激光器與傳統(tǒng)YAG激光器的對(duì)比2與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG固體激光器的對(duì)比： Yb:YAG作為準(zhǔn)三能級(jí)結(jié)構(gòu)的晶體，比傳統(tǒng)的Nd:YAG晶體更適合用半導(dǎo)體激光器泵浦，與Nd:YAG晶體相比它的優(yōu)點(diǎn)如下： 具有較低的量子損耗，熱承載?。?1量子效率），熱透鏡效應(yīng)非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。 具有很寬的吸收帶寬（18nm），因此對(duì)泵浦LD的控溫精度要求低。 上能級(jí)熒光壽命長(zhǎng)（1ms），有利于儲(chǔ)能。 發(fā)射線寬較寬，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧輸出。 激光發(fā)射截面較?。ㄓ欣诟吣芰看鎯?chǔ)）。 Yb:YAG晶體的熱傳導(dǎo)和溫度梯度主

7、要沿著軸向，從而使晶體的溫度分布非常均勻，波前形變非常小。這種先進(jìn)的諧振腔設(shè)計(jì)使得熱量從Yb:YAG晶體傳導(dǎo)到熱沉的效率非常高，熱傳導(dǎo)的方向與激光光束傳播的方向平行（即軸向），因此徑向溫度梯度非常小，從而避免了傳統(tǒng)棒狀晶體激光器的固有限制，如高功率下的熱透鏡效應(yīng)、激光晶體的變形、雙折射效應(yīng)等。因此，薄片式固體激光器可以很容易獲得非常高的輸出功率（最大100W）而不影響它卓越的光學(xué)性能，一般都具有近高斯分布的高功率激光束（M21.1）。這是它與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG固體激光器的最大區(qū)別，因?yàn)閭鹘y(tǒng)棒狀Nd:YAG固體激光器或者具有高功率，或者具有好的光束質(zhì)量，但不能同時(shí)擁有。3功能強(qiáng)大的光學(xué)平臺(tái)：

8、德國(guó)ELS公司的VersaDisk不僅僅是一臺(tái)激光器，它實(shí)際上是一個(gè)功能強(qiáng)大的光學(xué)平臺(tái)。模塊化的設(shè)計(jì)為您帶來(lái)靈活的配置和強(qiáng)大的擴(kuò)展性（圖 3），用戶可以根據(jù)自己的研究工作選擇最合適的配置，或者選擇一個(gè)通用的配置以滿足大多數(shù)常見(jiàn)的應(yīng)用。VersaDisk腔型結(jié)構(gòu)的自由度非常高，用戶可以只購(gòu)買一臺(tái)激光器而得到紅外（基頻）、綠光（倍頻）或雙波長(zhǎng)（紅外和綠光）同時(shí)輸出，也可以在腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具、布儒斯特窗片、雙折射濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)單頻、線偏振、波長(zhǎng)可調(diào)諧等多項(xiàng)傳統(tǒng)棒狀固體激光器實(shí)現(xiàn)不了的功能。圖3 VersaDisk-515/1030激光器外型圖圖4 VersaDisk-1030的腔型設(shè)計(jì)圖5 VersaD

9、isk-515的環(huán)行腔設(shè)計(jì)VersaDisk-1030高功率單頻紅外激光器（圖4）： VersaDisk-1030可以在1030nm處輸出最大100W功率（5/10/20/30/50/75/100W），并保證輸出模式為TEM00 模。在腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具就可以選擇一個(gè)縱模，從而實(shí)現(xiàn)單頻輸出（線寬5MHz，最大輸出功率可達(dá)50W）。窄線寬和高功率可以使 VersaDisk-1030很方便地實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換（倍頻或泵浦OPO）。VersaDisk-515高功率單頻綠光激光器（圖5）: VersaDisk-515采用環(huán)行腔設(shè)計(jì)，并選擇非臨界相位匹配的LBO晶體作為倍頻晶體，可以在515nm處實(shí)現(xiàn)最大15W的

10、單頻輸出功率（2.5W/5W/10W/15W，線寬5MHz）。薄片技術(shù)與環(huán)行腔設(shè)計(jì)的結(jié)合給VersaDisk-515帶來(lái)了優(yōu)秀的性能，如指向穩(wěn)定性好、單頻輸出等。可實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)同時(shí)輸出（圖5）： 把VersaDisk-515環(huán)行腔中的一塊折疊腔鏡換成可透過(guò)1030nm的腔鏡，就可同時(shí)獲得515nm和1030nm的輸出；通過(guò)改變?cè)撶R片對(duì) 1030nm的透過(guò)率，還可以調(diào)節(jié)515nm和1030nm的輸出功率。波長(zhǎng)可調(diào)（圖6）: 因?yàn)閅b:YAG晶體可以在1000到1060nm范圍內(nèi)產(chǎn)生激光輻射，因此在VersaDisk-1030的腔內(nèi)放置一塊雙折射濾光片它就可以在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)調(diào)諧（對(duì)于VersaDi

11、sk-515來(lái)說(shuō)，調(diào)諧范圍從514nm到517nm）。這個(gè)選項(xiàng)可以和單頻輸出共同選擇。圖6 Yb:YAG激光器波長(zhǎng)調(diào)諧圖可替代氬離子激光器： 氬離子激光器由于非常耗水耗電正在逐漸被固體激光器代替，但傳統(tǒng)的棒狀固體激光器的波長(zhǎng)（532nm）又不太合適，這時(shí)VersaDisk- 515（515nm）就是最合適的選擇，因?yàn)樗梢苑浅＞_地把輸出波長(zhǎng)鎖定在514.5nm，從而替代氬離子激光器，而且各項(xiàng)參數(shù)都要優(yōu)于氬離子激光器。調(diào)Q型：雖然VersaDisk非常適合于連續(xù)工作，但在一些應(yīng)用諸如泵浦中紅外（2-5m）調(diào)Q型OPO時(shí)，調(diào)Q型VersaDisk就顯得非常合適。通過(guò)在VersaDisk-1030

12、諧振腔中加入調(diào)Q元件就可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率1k-15kHz，脈沖寬度500ns的調(diào)Q型VersaDisk- 1030Q。鎖模型：應(yīng)用可飽和吸收鏡（SESAM）技術(shù)，VersaDisk-1030還可以改制成鎖模型固體激光器，波長(zhǎng)1030nm，重復(fù)頻率100MHz，脈寬500fs，峰值功率可達(dá)25MW。該鎖模激光器還有二倍頻（綠光）和三倍頻（UV）選項(xiàng)。 總之，VersaDisk除了具有高功率和優(yōu)秀的光束模式外，而且還是一個(gè)功能強(qiáng)大的光學(xué)平臺(tái)，可以滿足大多數(shù)科研領(lǐng)域的應(yīng)用。4應(yīng)用（1）VersaDisk-1030的應(yīng)用 中紅外高分辨率光譜（與2-5um OPO一起使用）：圖7 SpectroStar系

13、統(tǒng)配置圖 VersaDisk-1030可以用來(lái)泵浦高功率單頻中紅外（2-5m）OPO（ SpectroStar），從而填補(bǔ)了世界上在該譜段沒(méi)有高功率單頻光源的歷史，為從事高分辨率中紅外光譜的科研人員提供了有力的科研工具。由于 VersaDisk-1030的波長(zhǎng)可以在1000nm-1060nm之間調(diào)諧，而且可以同時(shí)保證高輸出功率和窄線寬，因此可以通過(guò)只調(diào)節(jié) VersaDisk-1030的波長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)OPO的波長(zhǎng)（2-5m），OPO的最大輸出功率達(dá)3W（3W2954nm，用 VersaDisk1030-20 SF泵浦）。 玻色-愛(ài)因斯坦凝聚和光鑷： 在玻色-愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)中，VersaDisk-1

14、030可以用來(lái)建立激光俘獲；而在光鑷應(yīng)用中，VersaDisk-1030可以用來(lái)輸運(yùn)原子和分子。 材料微加工： 由于VersaDisk-1030同時(shí)擁有高功率（最大達(dá)100W）和優(yōu)秀的光束質(zhì)量（TEM00，線偏振），使得它在印刷工業(yè)中可以對(duì)清篩輥進(jìn)行精確的雕刻，而且打出的孔比其它激光器要深而且干凈。（2）VersaDisk-515的應(yīng)用 高功率Ti:Sa激光器和染料激光器的泵浦源： 由于Ti:Sa晶體在515nm處的吸收系數(shù)要高于其在532nm處的吸收系數(shù)（圖8，吸收效率要高18%），所以VersaDisk-515是泵浦 Ti:Sa激光器的理想泵浦源。 此外，由于515nm的波長(zhǎng)短于532nm，所以VersaDisk-515可以更高效地用來(lái)泵浦染料激光器。圖8 鈦寶石的吸收和發(fā)射譜 全息、干涉、光存儲(chǔ)等其它需要激光器單頻特性的