1背景介紹
二極體泵浦固體雷射器概述
自從 1960 年第一台紅寶石雷射器問世以來,固體雷射器一直就處於研究工作的中心地位。進入 20 世紀 80 年代, 半導體雷射器(LD: Laser Diode) 及其列陣(LDA: Laser D iode Array) 研究工作的巨大進展極大地推動著固體雷射器件、技術及套用的發展。在此基礎上出現的二極體泵浦的固體雷射器因具有效率高、熱效應小、器件結構緊湊、能獲得高功率和高光束質量輸出等優點, 日益成熟, 成為光電子行業增長最快, 最令人矚目的領域之一。
與傳統的閃光燈相比, 採用半導體作泵浦源的最主要的優點是效率高。以摻釹(N d ) 雷射器為例, 由於泵浦燈很寬的輻射光譜與釹離子吸收帶匹配不好, 通常燈泵浦的 N d: YA G 雷射器總效率低於 3% , 並且大功率下熱效應明顯, 光束質量和穩定性差。而半導體雷射器 的發射譜線要窄許多(僅約 1.5nm) , 還可以通過溫度調諧來改變其發射波長, 使其峰值發射波長與激活粒子的吸收帶理想地匹配, 因而泵浦效率比燈泵浦高許多。其次,半導體雷射器泵浦的固體雷射器的噪聲特性好、頻率穩定。由於不存在液體或氣體工作物質的流動起伏噪聲和泵浦燈的電漿波動噪聲,使得 DPSSL 的輻射噪聲特性比燈泵浦優一階以上。另外,半導體泵浦固體雷射器具有的熱光畸變小、光束質量好、穩定性好、壽命長(達10000- 20000 小時)、結構簡單、體積小等特點, 也是其它類型雷射器所不能比擬的。
二極體泵浦固體雷射器的種類很多, 其工作方式可以是連續的、脈衝的、調Q 的, 以及加倍頻混頻等非線性轉換的。工作物質的形狀有圓柱和板條狀, 結構型式又分為直接端面泵浦、光纖耦合端面泵浦和側面泵浦 3 種。在半導體雷射器的諧振腔中產生的受激輻射是厚度為 0. 1m 數量級的 p-n 結區電子空穴對的複合, 輻射光譜寬度為零點幾納米, 與溫度有明顯關係, 即在加熱時波長向紅外方向轉移, 係數為 25A/C。這種現象導致在精密的固體雷射器中必須使用熱穩定的二極體泵浦系統。通過改變半導體雷射器(GaAs-InP) 多層結構的組分可以選擇雷射器在波長630-1 550 nm 範圍內輸出的輻射波長。
目前半導體泵浦固體雷射器正在向以下幾個方向發展:1.高功率輸出:在高功率下,溫度對雷射晶體的影響很大,環境溫度升高,輸出雷射的中心波長向長波方向漂移,輸出雷射功率則下降,除了能在一定情況下導致波片作用發生外,還改變了晶體的螢光壽命、發射截面、吸收特性及腔參數,從而影響器件的輸出。因此解決好雷射晶體的散熱是改變器件輸出的關鍵技術之一;另外,若能提高腔鏡對基頻光的反射率以及對倍頻光的透射率,則器件的電光轉換效率可望進一步提高。2.可見光波段輸出:經過倍頻、混頻和參量振盪等技術,使半導體泵浦固體雷射器在紅、綠、藍、紫等各波段均已獲得雷射輸出,而且多數連續波輸出在瓦級以上。3.紫外波段輸出:半導體泵浦固體雷射器經過三倍頻、四倍頻後獲得功率為瓦級的紫外雷射。
半導體泵浦固體雷射器廣泛套用於科學研究、材料加工、醫療衛生、軍事國防、同位素分離、雷射核聚變等方面,因工業雷射材料加工等民用市場的需求和慣性約束聚變( ICF) 研究工作的進展, 國際上, 二極體泵浦固體雷射器 , 特別是高功率半導體泵浦固體雷射器和相關研究工作的進展非常迅速。
二極體泵浦固體雷射器的發展歷程和現狀
1960 年,即第一台雷射器誕生的同一年,R.Newman 就首次提出雷射二極體(LD)泵浦固體雷射器的思想。1963 年,他用 Ga-As 二極體在 880nm 附近的輻射來泵浦 Nd:CaWO4 晶體,得到了 1.06um 的螢光輸出,從而宣告了第一台雷射二極體泵浦固體雷射器的誕生。由於當時 LD 在功率和可靠性方面均達不到泵浦光源的要求,最初的工作只是集中在側面泵浦方式上。
1973 年 Rosenkrantz 首次報導了脈衝工作的 LD 端面泵浦 Nd:YAG 雷射器之後,端面泵浦方式才受到廣泛關注並迅速發展。由於端面泵浦方式中泵浦光與雷射模共線,兩者可以很好的耦合,泵浦能量利用率高,所以閾值泵浦功率低、斜效率高。但是端面泵浦不能容納更大功率的泵浦光,因為大功率的雷射二極體列陣的的發光孔徑隨功率成正比例增大,將其光束匯聚到端面泵浦所要求的小光斑面積是非常困難的,可喜的是近年來人們用光纖耦合的方法比較好地解決了這一問題。早期的 GaAs 雷射二級管採用同質結構,閾值電流很高而輸出功率和效率很低,且必須在液氮下工作,波長範圍也受限制,這一時期的全固態雷射器主要限於試驗研究。70 年代中期,出現了幾種新的固體增益材料,如 NdP3O14(NPP)、LiNdP4O12(LNP)等,這些新雷射材料摻雜濃度高且較少引起雷射上能級的濃度淬滅,可以在小的模體積內使增益介質吸收更多的泵浦光能量,從而有效地降低閾值。
進入 80 年代,半導體雷射器及其陣列研究工作的巨大進展極大地推動了固體雷射器件、技術及套用的發展。8 由於晶體生長技術、分子束外延(MBE)、有機金屬化合物氣相外延(MOCVD)的日益成熟和量子阱結構的出現,LD 的閾值電流已明顯降低,連續或準連續的輸出功率和轉換效率也有所提高,A.Larsson等人將 LD 的總效率提高到 50%以上,冷卻要求的降低減少了雷射器的機械噪聲,LD 泵浦固體雷射器的線寬達到了當時儀器的測量極限 3KHz,輸出功率成倍增長,使用壽命顯著延長,現在已達到十萬小時。LD 的發展,全面帶動了新型固體雷射材料和 LD 泵浦技術的發展,LD 泵浦固體雷射器的工作也隨之上了一個新台階.
進入 90 年代以來,雷射二極體技術繼續迅速發展,全固態雷射器的工作也隨著雷射二極體的發展邁上一個新的台階,取得了突飛猛進的發展,並達到了實用水平,美國 Amoco Laser、Spectra-Physics、SDL 公司等在該領域異常活躍的幾十個公司分別推出各種型號的連續和脈衝小型 DPL 雷射器。傳統燈泵浦固體雷射器賴以占有世界雷射器市場主導地位的所有各種振盪方式,使用雷射二極體作為泵浦源都可以成功的加以實現,全固態雷射器成為重要的發展方向之一。尤為引人注目的是以高功率全固態雷射器及其套用研究的新進展1。992 年麥道公司為釹玻璃板條雷射器製造了一個大泵浦源,陣列組件包含 6500 個雷射條,輸出峰值功率為 350KW。
目前,國外千瓦級的二極體泵浦固體雷射器已進入工業和國防等領域的實用階段,相比之下,在國內,受資金及雷射二極體技術的限制,二極體泵浦固體雷射器的研究工作起步較晚,尤其是側面泵浦的固體雷射器。我國高功率連續二極體泵浦固體雷射器仍處於實驗室階段,輸出功率小、穩定性,難以在實際雷射加工系統中套用。因此,我國的二極體泵浦固體雷射器的總體水平與國際先進水平差距較大。
2概述
隨著雷射二極體技術的快速發展, LD泵浦固體雷射器成為近年來研究的熱點。LD泵浦固體雷射器具有效率高、頻率穩定、壽命長、結構簡單、使用方便等優點, 可以肯定在未來的許多套用中LD泵浦固體雷射器將代替燈泵浦雷射器, 特別是在需要高平均輸出功率雷射的套用中。但高平均功率固體雷射器存在的最大問題之一是沉積在增益介質內的廢熱, 廢熱的消除通常會產生顯著的溫度梯度和熱應力等諸多的熱效應問題, 降低了雷射器的輸出功率和光束質量, 甚至可能會造成增益介質的斷裂。薄片雷射器是解決這一問題的有效手段之一。
半導體泵浦固體雷射器的典型問題是其熱沉積的不一致,進而導致熱透鏡效應的出現。熱透鏡效應不僅不利於雷射器諧振腔的設計而且會使雷射光束質量下降,同時限制著功率輸出。要消除由於廢熱而引起的後果,必須減少熱量和熱流密度,減小熱流的傳導路程和對雷射場的影響。
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.
薄片雷射器有端面泵浦和側面泵浦兩種方式, 側面泵浦可以減少耦合系統的複雜性, 同時也提供了一條長的吸收路徑, 進而可以降低增益介質的摻雜濃度, 是一種較好的泵浦方式。要獲得高效率和高光束質量的雷射輸出, 就要合理選取泵浦結構的參數提高增益介質對泵浦光的吸收均勻性, 所以研究泵浦結構和介質內泵浦光的分布具有重要的意義。
2003年, 日本岡崎分子科學研究所雷射研究中心提出邊緣泵浦複合薄片結構雷射器, 採用方形薄片Yb∶YAG晶體四周與未摻雜YAG晶體薄片複合的結構, 泵浦光從薄片的邊緣進入晶體, 獲得90 W的連續雷射輸出;2004 年美國波音公司採用LD側面泵浦熔鑄的Yb∶glass玻璃薄片, 獲得了1 kW高光束質量的雷射輸出。2007年, 張申金等人採用5個LD相互成72°從增益介質的側面對稱泵浦圓薄片Nd：YAG;王春雨等人用半解析方法模擬了LD側面泵浦棒狀介質的泵浦光分布。2008年, 龐愷等人採用LD 側面泵浦複合薄片Nd∶YAG , 分析了泵浦光的分布;本文建立了快軸準直的LD側面環形泵浦複合薄片雷射器的數值模型, 考慮各個界面光束折射的影響, 得出了泵浦光在薄片內的分布情況, 分析了泵浦參數和介質參數對泵浦光分布均勻性和介質吸收效率的影響規律。
側面泵浦薄片雷射器結構
側面泵浦薄片雷射器對於側面泵浦，實現均勻泵浦的二極體陣列排布方式有兩種，分別是快軸平行於薄片晶體表面和快軸垂直於薄片晶體表面。二極體陣列快軸平行於薄片晶體表面結構比較複雜，在實際套用中有一定的難度。我們採用二極體陣列的快軸垂直於薄片晶體表面的排布方式，二極體對稱的排列在複合晶體增益介質的周圍，從側面對增益介質進行泵浦，而且，雷射增益介質薄片銦焊在一個帶有射流冷卻的銅熱沉上，二極體經過微柱透鏡快軸準直， 泵浦結構如圖所示：
側面泵浦能提供一條長的吸收路徑進而可以降低增益介質的摻雜濃度, 因而不需要很高的泵浦功率密度,顯示出很大的優勢。正因如此, 國外多家單位都對側面泵浦的薄片雷射器結構展開了研究。2002 年美國波音公司的John Vet rover 等人提出了輸出功率可以達到100kW 的高平均功率主動鏡放大器(CAMIL)的概念設計,採用圓形薄片Yb:glass玻璃四周與未摻雜六邊形玻璃薄片熔鑄。2004 年採用二極體側面泵浦熔鑄的Yb:glass玻璃薄片, 獲得了1kW高光束質量的雷射輸出.
介質薄片的面積增大,熱負荷大大降低,薄片結構雷射器的功率可定標放大,但玻璃介質的熱導率低,比絕大多數晶體介質的熱導率低二個數量級,不適用於連續和重複頻率高的運轉。2003 年日本岡崎分子科學研究所雷射研究中心T.Dascalu等人提出邊緣泵浦複合薄片結構雷射器,採用方形薄片Yb:YAG 晶體四周與未摻雜圓YAG 晶體薄片複合的結構, 泵浦光從薄片的邊緣進入晶體。獲得連續90W雷射輸出,光束質量M2=5。在研究人員將複合薄片晶體焊接在熱沉上時, 晶體出現了彎曲現象,這是由於熱沉和陶瓷AG 的熱膨脹係數不一致所致。當對晶體進行泵浦時, 晶體內溫度升高, 會加劇晶體彎曲程度。當泵浦功率增大時, 晶體出現嚴重變形,影響了輸出功率的增大和光束質量的提高。2007 年1 月他們採用二極體側泵浦全陶瓷複合薄片晶體YAG , 獲得了414W 的連續雷射輸出.
國內對側面泵浦結構薄片雷射器的研究較少,2004 年清華大學鞏馬理等提出了邊緣泵浦複合薄片結構雷射器, 將摻雜Yb :YAG 晶體薄片與非摻雜的YAG 晶體薄片平面複合(鍵合), 晶體被切割成正六邊形結構, 泵浦光從薄片的邊緣進入晶體。此兩類方法採用晶體介質,熱導率增加,介質薄片的面積可增大,通光口徑可較大,避免了由於口徑限制而引起過大的熱負荷, 雷射器的功率可定標放大;同時, 泵浦光無需光纖耦合, 泵浦光結構簡化, 泵浦均勻性增強。但摻雜Yb :YAG 晶體薄片內的泵浦光與振盪雷射只部分匹配, 雷射器的效率不高, 邊緣泵浦比端面泵浦的效率低。
