DPSSL 英文全称为 Diode Pump Solid State Laser,即二极管泵浦固体激光器。是近年来国际上发展最快,应用较广的新型激光器。该类型的激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦,从而取得了崭新的发展,被称为第二代的激光器。 DPSSL的发展与半导体激光器的发展是密不可分的。 1962年,第一只同质结砷化镓半导体激光器问世, 1963年,美国人纽曼就首次提出了用半导体做为固体激光器的泵浦源的构想。但在早期,由于二极管的各项性能还很差,作为固体激光器的泵浦源还显得不成熟。直到 1978年量子阱半导体激光器概念的提出,以及八十年代初期 MOCVD 技术的使用及应变量子阱激光器的出现, 使得 LD 的发展步上了一个崭新的台阶。在进入九十年代以来,大功率的 LD 及LD 列阵技术也逐步成熟,从而,大大促进了 DPSSL 的研究。
本文着重以二极管泵浦的固体激光器为主,先简单介绍 LD 列阵的发展状况,然后结合笔者所接触的各种激光器,从二极管泵浦头的设计出发举例叙述近年来出现的 DPSSL 器件的技术特点和发展现状。
二极管泵浦的固体激光器 (DPSSL与传统等泵浦激光器的比较具有以下优势: 1.工作时间长。传统的氪灯或氙灯寿命只有几百小时,最长的不超过 2000小时。而用于泵浦的二极管激光器寿命高达上万小时,从而大大降低了使用者的维护成本。
2.低功耗。传统的灯泵浦激光器的转换效率大约只有 3%左右,泵浦灯的发出的能量大部分转换成了热能,造成了极大的能源浪费。而 DPSSL 所用的 LD 发出固定的,被激光晶体吸收的 808nm 波长的激光,光光转换效率可高达 40%以上,大大减少了运行成本。
3.体积小,便于设计小型化。一台 DPSSL 激光器大约只有传统灯泵浦激光器体积的 1/3甚至更小,便于携带。以及光光转换效率高、光束质量好、可靠性强等优点。
发展状况及技术特点:
1 端面泵浦(End Pump固体激光器端面泵浦方式最大的优点就是容易获得好的光束质量,可以实现高亮度的固体激光器。所以,对端面泵浦的尝试一直也没有停止过。在该系统中,泵浦源采用 8W 的半导体激光器, 输出后经柱状棱镜组整形,将光束
发散角压缩并聚焦后输入激光晶体。激光晶体的靠近泵浦源的一端面镀 808nm 的增透膜和 1064nm 的高反膜。 808nm 的增透膜使泵浦源发出的 808nm 波长的激光进入激光晶体前的损耗降至最低,而 1064nm 的高反膜与镀有 1064nm 部分反射膜的输出镜结合起来,形成谐振腔,使 1064nm 的激光产生振荡放大并输出。该种结构中泵浦光束激活的晶体模体积较小,因而一般用于功率较小的场合,如 ACI 公司设计此款激光器的目的是用于 3W 的激光打标机系统中。但端泵的优势在于输出的激光模式较好,便于实现 TEM00输出,在某些功率要求不高,需要准直的场合非常实用。如激光测距,电子元器件的标记等方面。
2 侧面泵浦 (Side Pump固态激光器休斯航天航空实验室的研究人员们侧面泵浦棒状 Yb:YAG晶体获得了 0.95KW 的大功率输出。这是目前利用半导体激光器泵浦单根 Yb:YAG所得到的最大的功率输出。侧面泵浦(Side Pump 固态激光器激光头是由三个二极管泵浦模块围成一圈组成泵浦源, 每个泵浦模块又由 3个带微透镜的二极管线阵组成。每个线阵的输出功率平均为 20W 输出波长为 808nm 。该装置采用玻璃管巧妙地设计了泵浦腔和制冷通道。玻璃管的表面大部分镀有
808nm 的高反膜,剩余的部分呈 120°镀有三条 808nm 增透膜,这样便形成了一个泵浦腔。二极管泵浦源发出的光经过三对光束整形透镜会聚到这三条镀增透膜的狭长区域内,然后透过玻璃管的管壁,被晶体吸收。由于玻璃管大部分区域镀有高反膜,使得泵浦光进入泵浦腔以后,便在其中来回的反射,直至被晶体充分地吸收,而且在晶体的横截面上形成了均匀的增益分布。同时玻璃管还能用于制冷,高速通过的冷却水将产生的热量迅速带走。晶体采用的是一根复合结构的 Nd:YAG棒, 有效尺寸为 j3*63mm, 掺杂浓度为 1.5at.%.当泵浦光功率为 180W 时,得到了 72W 的激光输出。光光转换效率高达 40%。
3 薄片激光器 (Thin Disc Pump 薄片激光器是集端面泵浦与侧面泵浦的优点于一身的一种新型的固体激光器设计方案。由德国航空航天研究院技术物理所的研究人员们首次提出。它的基本概念是用光纤耦合输出的半导体激光器作泵浦源对非常薄的晶体进行端面泵浦,使泵浦光在几百微米的晶体薄片中多次经过,同时使热梯度的分布方向与激光束的传播方向相同。新的泵浦设计中用一个抛物面成像反
射镜代替了原来的 4个球面成像反射镜,使得泵浦光在晶体中经过的次数由原来的8次增加到 16次。采用改进后的泵浦结构, 在室温下, 用 24W 的连续激光泵浦, 用j3*0.2的 Nd:YAG晶体薄片,得到了 10W 的 TEM00连续光输出,光光效率为
41.7%。这种薄片激光器具有按比例功率放大的特性,将多个薄片晶体级联在同一个热沉上, 可有望得到光束近衍射极限的,高效率的千瓦级全固态固体激光器。这种激光器输出的光学质量介于端面泵浦和侧面泵浦之间,可得到较高的输出功率和较好的光学模式。但是这种激光器的设计和调试较为困难,因而不为大多数的激光公司所采用。
4 光纤激光器光纤激光器是最近几年由光通讯行业中的光放大器演变而来的。其一推出即引起了业界的震动,其良好的光学质量,较高的输出功率,超长的寿命及无需维护的特点获得了众多公司的瞩目。其严格来说, 属于端面泵浦的一种。现代高功率光纤激光器的泵浦源是高功率的多模二极管,通过一个围绕着单模纤心的双包层来实现。在二十世纪七十年代, 以一个单模光纤激光器来替代固体激光器或宽带半导体激光二极管的多模发射输出的想法被首次提出。在简单的双包层光纤结构中,一个轴向的单模玻璃纤心被掺入人们所期望的激光离子,如铷、饵、镒、铥等。核心光纤被一层直径几倍于它的不掺杂的玻璃包层所包围,具有更低的折射率。
接下来是内部的泵浦包层,被更外一层不掺杂的玻璃包层所覆盖,同样具有更低折射率。在这种光纤结构中,多模二极管泵浦光通过一个复合光纤的终端面射入泵浦包层,通过光纤结构传播,周期性地穿越掺杂质的单模光纤核心,并在核心光纤中产生粒子数反转。
IPG 激光部门(现在为 IPG Photonics 的分支机构研制出一种更先进的全加固侧面并行泵浦光纤激光器。它包括一个主动光纤,这种光纤具有可以和其他光学元件或增益级自由熔结的多面体结构,从而使泵浦光可从多点注入包层成为可能。这样,一种简单的光纤输出功率的按比例缩放控制成为可行。其他的侧泵浦技术还有 V 槽耦合。 1996年,具有工业质量的衍射极限 10瓦级包层泵浦光纤激光器由 IPG Photonics 推向市场。 Polaroid 公司(剑桥, MA 、 Spectra Diode实验室(现在的 JDS Uniphase以及 Spectra Physics 不久也介绍了类似的激光器。耦合多个 100瓦级光纤
激光器的输出功率可以很好地提升光纤激光器的输出功率到一个更高的级别。比如说, 7个 100瓦级光纤激光器输出的光束通过 7个单模光纤传送 30米以上的距离,然后在一条多芯光纤波束耦合器中被合成,输出一个直径80 μm, 发散角小于 40 mrad 的波束。这相当于一个输出光束参数 1.6 mm mrad 的激光; 700瓦的耦合输出功率可以以一束强烈的激光作用在工件上,每平方厘米可达高于 50千瓦的功率。比较而言,一个二极管泵浦固态激光器典型的光束参数 10mm mrad,输出功率密度也只有光纤激光器的 50分之一。 700瓦级的光纤激光器大小为 55×60×95cm3 ,重量为120千克。这种形式的激光器能够根据需要的功率,将光纤加长,因而可以达到很高的功率。但其有一个致命的弱点就是单脉冲能量不高,这使得光纤激光器的应用领域受到了一定的限制。目前,世界各国都把如何提高光纤激光器的单脉冲能量作为一个重点的研发课题。总结本文着重从实验装置和原理的角度出发,描述了近年来出现的几种半导体泵浦的固体激光器的核心部件 -激光头的技术特点。高功率,高
亮度的 DPSSL 一直是国内外激光领域里的前沿课题。
目前,国外千瓦级 DPSSL 系统已有诸多报道,日本还预计将在 2005年实现输出平均功率≥10KW,电光效率≥20%激光头的尺寸≤0.05m3的高功率全固态激光器。国内的 DPSSL 发展相对落后,但随着近年来,我国大功率 LD 及 LD 列阵制作工艺的逐步成熟, DPSSL 必将有更加蓬勃的发展。