固體激光器基本原理以及應(yīng)用

自第一臺紅寶石激光器問世，固體激光器就一直占據(jù)了激光器發(fā)展的主導(dǎo)地位，特別是在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的半導(dǎo)體激光器以及在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)的全固化固體激光器更因為體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定、可靠性好和壽命長等優(yōu)點，逐漸成為光電行業(yè)中最具發(fā)展前途的領(lǐng)域。目前世界范圍內(nèi)銷售的商品固體激光器已有500余種，但從1998年開始，固體激光器中的Nd:YAG激光器的市場占有率和銷售額已升為第一位?，F(xiàn)在是1頁\一共有28頁\編輯于星期三傳統(tǒng)的固體YAG激光器，通常由摻釹釔鋁石榴石晶體棒、泵浦燈、聚光腔、光學(xué)諧振腔、電源及制冷系統(tǒng)組成，其轉(zhuǎn)換效率為2%到3%。另一方面整個激光器需要龐大的制冷系統(tǒng)，體積很大。泵浦燈的壽命約為300到1000小時，操作人員需花很多時間頻繁的換燈，中斷系統(tǒng)工作，使自動化生產(chǎn)線的效率大大降低，間接提高了生產(chǎn)成本。因此技術(shù)上沒有大的發(fā)展空間。現(xiàn)在國際上的激光廠家已經(jīng)淘汰了中小功率燈泵浦固體激光器的生產(chǎn)和研發(fā)，將來隨著大功率的二極管、光纖激光器的研發(fā)和應(yīng)用，成本的下降，燈泵浦固體激光器將會逐步淘汰。這是固體激光器的發(fā)展方向。現(xiàn)在是2頁\一共有28頁\編輯于星期三一、三類固體激光器的特性比較特性光纖激光器二極管泵浦固體激光器燈泵浦固體激光器工作方式連續(xù)或脈沖連續(xù)或脈沖連續(xù)或脈沖輻射波長（納米）532,1070,1800-2000532,10601060輸出功率/能量高達2KW/高達1mJ高達2KW/高達60mJ高達5KW/高100J電光轉(zhuǎn)換效率高達20%高達20%低于6%光束質(zhì)量基模光斑細基模或多階模光斑較細基模或多階模光斑粗功率/能量穩(wěn)定性<1.5%<3%<3%冷卻方式風(fēng)冷風(fēng)冷或水冷水冷可靠性最佳較好較差維護周期無需維護無需維護300小時使用壽命大于10萬小時大于1.5萬小時大于3百小時系統(tǒng)體積小巧緊湊較小較大光纖傳輸單模光纖多模光纖多模光纖設(shè)備成本較高較高較低運行成本較低一般較高技術(shù)最新新舊現(xiàn)在是3頁\一共有28頁\編輯于星期三與傳統(tǒng)燈泵浦固體激光器比較，全固化固體激光器具有以下優(yōu)點：1)轉(zhuǎn)換效率高：由于半導(dǎo)體激光的發(fā)射波長與固體激光工作物質(zhì)的吸收峰相吻合，加之泵浦光模式可以很好地與激光振蕩模式相匹配，從而光光轉(zhuǎn)換效率很高，已達50％以上,光纖達80%，整機效率也可以與二氧化碳激光器相當(dāng)，比燈泵固體激光器高出一個量級，因而全固化固體激光器可省去笨重的水冷系統(tǒng)，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，易于系統(tǒng)集成，性能價格比高。現(xiàn)在是4頁\一共有28頁\編輯于星期三2)性能可靠、壽命長：激光二極管的壽命大大長于閃光燈，達15000小時以上，而閃光燈的壽命只有300-1000小時。激光二極管的泵浦能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個數(shù)量級，性能可靠，可制成全固化器件。運行壽命長，成為至今為止唯一無需維護的激光器，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。3)輸出光束質(zhì)量好：由于二極管泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率，減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，大大改善了激光器的輸出光束質(zhì)量，激光光束質(zhì)量已接近理論極限M2=1。現(xiàn)在是5頁\一共有28頁\編輯于星期三二、全固化固體激光器結(jié)構(gòu)及特點

全固化固體激光器可分為兩類：二極管泵浦固體激光器和光纖激光器。現(xiàn)將其結(jié)構(gòu)和特點分別敘述如下?，F(xiàn)在是6頁\一共有28頁\編輯于星期三1.二極管泵浦固體激光器

激光二極管泵浦固體激光器的種類很多，可以是連續(xù)的、脈沖的、調(diào)Q的，以及加倍頻混頻等非線性轉(zhuǎn)換的。工作物質(zhì)的形狀有圓柱和板條狀的。而泵浦的耦合方式又分為直接端面泵浦、光纖耦合端面泵浦和側(cè)面泵浦三種結(jié)構(gòu)。泵浦所用的激光二極管或激光二極管陣列出射的泵浦光，經(jīng)由會聚光學(xué)系統(tǒng)將泵浦光耦合到晶體棒上，在晶體棒的泵浦耦合面上為減少耦合損失而鍍有對激光二極管波長的增透膜。同時，該端面也是固體激光器的諧振腔的全反端，因而端面的膜也是輸出激光的諧振腔，起振后產(chǎn)生的激光束由輸出鏡耦合輸出。

現(xiàn)在是7頁\一共有28頁\編輯于星期三二極管直接和光纖耦合端面泵浦固體激光器

與燈泵浦和側(cè)面泵浦兩種泵浦方式相對比，端面泵浦的效率最高。其原因為：在泵浦激光模式不太差的情況下，泵浦光都能由會聚光學(xué)系統(tǒng)耦合到工作物質(zhì)中，耦合損失較少；另一方面，泵浦光的模式也比較好，而產(chǎn)生的振蕩光的模式與泵浦光模式有密切關(guān)系，匹配的效果好，因此，工作物質(zhì)用泵浦光的利用率也相對高一些?，F(xiàn)在是8頁\一共有28頁\編輯于星期三直接端面泵浦激光器現(xiàn)在是9頁\一共有28頁\編輯于星期三然而，端面泵浦雖然效率高，但固體激光的輸出功率受端面限制，因為端面較小時只能采用單元的激光二極管，這就限制了泵浦光的最大功率。如果采用功率較大的激光二極管陣列作泵浦源，則由于陣列型二極管輸出的泵浦光模式不好，因而不易將泵浦光有效地耦合到工作物質(zhì)中，實際上降低了效率。而且由于泵浦光的模式較為復(fù)雜，泵浦后輸出的1.06μm激光的光束質(zhì)量也不易保證。

現(xiàn)在是10頁\一共有28頁\編輯于星期三針對這一弱點，人們又進一步發(fā)展了光纖耦合的端面泵浦和側(cè)面泵浦方式。端面泵浦激光器由激光二極管、兩個聚焦系統(tǒng)、耦合光纖、工作物質(zhì)和輸出反射鏡組成。與直接端面泵浦不同，這種結(jié)構(gòu)首先把激光二極管發(fā)射的光束質(zhì)量很差的激光耦合到光纖中，經(jīng)過一段光纖傳輸后，從光纖中出射的光束變成發(fā)散角較小的、圓對稱的、中間部分光強最大的泵浦光束。用這一輸出的泵浦光去泵浦工作物質(zhì)，由于它和振蕩激光在空間上匹配得很好，因此泵浦效率很高。由于激光二極管或二極管陣列與光纖間的耦合較與工作物質(zhì)的耦合容易，從而降低了對器件調(diào)整的要求。而且最重要的是這種耦合方式能使固體激光器輸出模式好、效率高?，F(xiàn)在是11頁\一共有28頁\編輯于星期三光纖耦合端面泵浦激光器現(xiàn)在是12頁\一共有28頁\編輯于星期三側(cè)面泵浦板條固體激光器要得到更大功率的激光輸出，就必然要采用泵浦功率較大的陣列型激光二極管，由于陣列二極管的發(fā)光面較大，不可能利用端面泵浦，因此，大多采用側(cè)泵浦方式。這種結(jié)構(gòu)的特點是，在工作板條的一側(cè)用激光二極管陣列，另一側(cè)是全反器，使泵浦光盡量集中到工作物質(zhì)中。板條狀激光器結(jié)構(gòu)的特點是，激光通過工作物質(zhì)介質(zhì)全內(nèi)反射傳輸，這樣，激光經(jīng)過工作物質(zhì)的長度就大于工作物質(zhì)的外形長度，即提供了更長的有效長度。在有效長度內(nèi)，工作物質(zhì)皆可直接吸收到由激光二極管發(fā)射的泵浦光，從而較易獲得大功率輸出，研究開發(fā)的重點就在于發(fā)展大功率的端面泵浦固體激光器，從激光二極管發(fā)出的光束經(jīng)光學(xué)耦合從側(cè)面泵浦激光晶體，從而獲得單級輸出的激光；并可以根據(jù)所要得到的輸出功率要求而改變激光工作物質(zhì)的長度而改變激光二極管泵浦的效率和功率。

現(xiàn)在是13頁\一共有28頁\編輯于星期三二極管側(cè)面泵浦固體激光器

半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)為：垂直于PN結(jié)面的一對平行平面構(gòu)成法布里——珀羅諧振腔，它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面，也可以是經(jīng)過拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。

現(xiàn)在是14頁\一共有28頁\編輯于星期三半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是15頁\一共有28頁\編輯于星期三現(xiàn)在是16頁\一共有28頁\編輯于星期三我公司生產(chǎn)二極管激光器原理現(xiàn)在是17頁\一共有28頁\編輯于星期三2.光纖激光器

現(xiàn)在是18頁\一共有28頁\編輯于星期三以稀土元素為例，將其離子摻雜于以SiO2為基質(zhì)的光纖芯子中，光纖就被“激活”，變成有源介質(zhì)，稱有源光纖(Active

fiber)。當(dāng)以適當(dāng)?shù)牟ㄩL泵浦時，就會在確定的波長上產(chǎn)生激光和激光放大。例如，許多稀土離子，如元素Er，Nd，Sm，Ho，Tm和Yb等都可作為摻雜物制成光纖，并做成摻雜光纖放大器(XDFA)和光纖激光器(XDFL)，它們能工作在從可見到中紅外的波長范圍。其中以摻Er石英光纖最有意義，因為它的激光波長恰好處于光纖通信最佳“窗口”。這種EDFA和EDFL在促進現(xiàn)代光纖通信等高技術(shù)的迅速發(fā)展中發(fā)揮了重大的作用。一種低摻Er、因而也是低增益光纖，特別是低摻Er的DDF是用于孤子傳輸、壓縮和光參量技術(shù)的理想波導(dǎo)，因為它既具有較大的非線性又有可能恰當(dāng)?shù)仄ヅ鋼p耗和色散，有人稱之為透明光纖。一種借元素Yb起敏化作用的Er、Yb雙摻光纖可以把泵浦波長下移到800～1060nm。近年來，人們還選擇不同的摻雜質(zhì)與摻雜量以及不同的基質(zhì)材料，以獲得更大范圍應(yīng)用和更高功率輸出的激光，并且已經(jīng)獲得了一系列可喜的進展。

現(xiàn)在是19頁\一共有28頁\編輯于星期三光纖激光器屬光波導(dǎo)激光器,以摻稀土元素（Nd，Yb或Er）的光纖為工作物質(zhì)，并用二極管激光作為泵浦源?？擅}沖和連續(xù)運轉(zhuǎn)，其性能已明顯優(yōu)于二極管泵浦固體激光器，不僅在光纖通訊領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且由于大功率光纖激光器的成功開發(fā)，正向激光打標(biāo)、焊接、切割等工業(yè)激光應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展。

現(xiàn)在是20頁\一共有28頁\編輯于星期三諧振腔

制備合適的光學(xué)諧振腔是高功率光纖激光器實用化的又一項關(guān)鍵技術(shù)。采用光纖光柵做諧振腔，光纖光柵是透過紫外誘導(dǎo)在光纖纖芯形成折射率周期性變化的低損耗器件,具有非常好的波長選擇特性。光纖光柵的采用，簡化了激光器的結(jié)構(gòu)窄化了線寬，同時提高了激光器的信噪比和可靠性，進而提高了光束質(zhì)量?，F(xiàn)在是21頁\一共有28頁\編輯于星期三光纖激光器基本結(jié)構(gòu)和固體激光器的結(jié)構(gòu)基本相同，由泵浦源（激光二極管和必要的光學(xué)耦合系統(tǒng)）、增益介質(zhì)（摻稀土元素的增益光纖）、諧振腔（可為反射鏡、光纖光柵或光纖環(huán)）等組成。按泵浦光的入射方式，光纖激光器可分為：端面泵浦光纖激光器、雙包層光纖激光器和任意形狀光纖激光器?，F(xiàn)在是22頁\一共有28頁\編輯于星期三1)端面泵浦光纖激光器

端面泵浦光纖激光器中的光纖與普通光纖十分相似，僅在纖芯摻以激光工作物質(zhì)。與二極管端面泵浦固體激光器的泵浦方式相似，采用光學(xué)耦合系統(tǒng)將泵浦光直接耦合到光纖的纖芯端面上。通常情況下，兩端面也是激光諧振腔的全反鏡和輸出鏡。可以看出，這種結(jié)構(gòu)簡單，但其泵浦端面因面積很小，可以注入的泵浦光能量有限，故該類激光器屬小功率光纖激光器，它們大多應(yīng)用于光通訊中。

現(xiàn)在是23頁\一共有28頁\編輯于星期三端面泵浦光纖激光器現(xiàn)在是24頁\一共有28頁\編輯于星期三2)雙包層光纖激光器

為了克服端面泵浦光纖激光器注入功率小的問題，人們發(fā)明了雙包層光纖激光器。它主要由纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護層組成。纖芯采用了稀土摻雜技術(shù)，為激光增益介質(zhì)，稀土離子吸收泵浦光并輻射單模激光，外包層采用低折射率材料。通常情況下，泵浦光采用斜入射方式，使泵浦光在內(nèi)外包層界面形成全反射，這樣，泵浦光在多次反射后，多次穿過內(nèi)包層和纖芯，使纖芯吸收率大大增加，可達90%以上。這種泵浦方式與二極管泵浦固體激光器的側(cè)面泵浦方式很相似，注入功率可以大大增加，又提高了泵浦光的利用率。這類光纖激光器的輸出功率在百瓦量級。

現(xiàn)在是25頁\一共有28頁\編輯于星期三雙包層光纖激光器

圖3-2d