激光调Q技术

shicheng23 · 发表于 2009-2-5 20:44:56

激光是20 世纪的重大发明之一，它具有高强度、良好的单色性和相干性及方向性，激光应用已遍及工业、军事、通信、医学和科学研究等诸多领域。

第一节 DPL的发展现状

所谓DPL，是英文Diode Bump Solid-state Laser的缩写，指激光二极管泵浦固体激光器，它是用激光二极管作为泵浦光源，采用端面或侧面泵浦的方式，通过温控系统，实现泵浦光输出谱线与晶体吸收谱线耦合，从而产生激光的器件。

用半导体激光器作为泵浦光源的设想早在1963年就有人提出，但是由于当时的激光二极管输出功率小、阈值电流大，使得这一设想碰到困难。1972年，Daniolmcyer等人首先实现了室温下用激光二极管阵列激励的Nd:YAG激光器。到了80年代，由于激光二极管和激光二极管阵列的长足发展，最终使这一设想成为现实。近年来，DPL已经成为国际上新型激光器的研究热点，其输出能量和功率成量级提高，已经接近闪光灯泵浦固体激光器的输出水平，而且光束质量、斜效率和输出稳定性远胜后者。由于DPL具有高效率、紧凑、稳定、长寿命和全固态等优点，DPL的驱动源电流起伏小于0.1％，LD加温控系统后的温度起伏小于0.1℃，泵浦光能量的起伏小于0.5％，比闪光灯泵浦高一个数量级。固体介质对泵浦光的吸收效率和光谱转换效率均大于90％，总抽运效率高达30％，也比闪光灯泵浦高一个数量级。另外，LD的连续工作寿命达10000h，脉冲工作寿命达1011次，是闪光灯的几十倍。因此DPL可长期稳定工作在TEM00模状态，输出激光起伏小于1％，可成为优良的医用激光器。此外，LD光泵的快响应和任意造型还可使DPL的激光输出随时从CW到Q－CW转换，并输出ns量级的同步信号，可与计算机何其它外围诊断设备精确同步控制。因此，在军事、工业、医疗等各个领域有重要、深远的应用前景。在激光测距和目标指示中闪光灯泵浦的固体激光器的应用受到效率和寿命的限制，LD泵浦的总效率和寿命约为闪光灯的10倍，而能源和冷却系统的体积却减少了90％，因此DPL可研制成便携式的小型高重复频率测距仪。

作为反激光制导炸弹的光电对抗干扰源，要求对指令信号启动快，对编码频率抖动小。闪光灯泵浦的固体激光器受泵浦速度的限制，激光启动时间尚未突破10ms。而LD的泵浦速度（LD激光上升沿）高达0.1 ms，使DPL的响应小于2 ms，适应快速对抗光源的要求。在激光雷达中，DPL的波长比CO2激光短一个量级，激光频宽窄1～2个量级，因此，DPL可提供比CO2激光高2～3个量级的速度测量精度，速度误差减小到0.1mm/s。在激光通讯中，由于DPL的光束发散度比LD小三个量级，而储能机制要提高七个量级，因此有利于远距离通讯，DPL绿光器件已用于机载海空通讯实验。

定向能辐射的激光战略武器尚处于探索和研究阶段。DPL克服了传统固体激光器的低效率和热畸变等缺点，将成为CO2激光、化学激光、准分子激光、自由电子激光和X射线激光的强劲对手。能量高达MJ，功率高达GW的大型DPL装置的设计和大功率LDA泵浦技术的飞速发展，在ICF及DEW中占据重要地位。

医用激光器主要要求稳定、长寿和多波长化。相当于闪光灯泵浦的固体激光器、CO2激光器、Ar/Kr离子激光器和准分子激光器，DPL都显示了较大的技术优势。闪光灯泵浦的Nd：YAG激光器通过倍频和混频，可实现多波长转换，经光纤传输进行外科手术，但闪光灯的老化和固体激光介质的热畸变导致光强较大起伏和光束质量变差，另外，其低效率势必带来庞大的供电和水冷系统，所有这些都会限制它的使用范围。

生物组织的80%由水组成，近年来迅速发展起来的LD泵浦掺Er、Tm、Ho，波长在2～3mm的中红外固体激光接近水的吸收峰，能被生物组织强吸收，渗透深度浅，不发生炭化现象，也不引起分子键断裂，是近视眼开刀和心血管手术的理想医用激光器。DPL的倍频和混频器件工作在蓝绿光波段，对眼的内层光间质有较高的透过率，而对眼底的网膜色素上皮和脉络膜有较大的吸收，是合适的视网膜手术激光器。

DPL在工业上的应用受泵浦源价格的限制，但对一些要求较高的场合，如集成电路修复、精密电阻微调，精细光刻、显微焊接、高密度光盘存储、高清晰高亮度的固态彩色视频处理、高稳定单色光源、高功率激光装置的注入种子光源等，仍有重要应用前景。并且随着LD价格的迅速下降，应用面将越来越大。

所以它可以广泛应用与。固体激光器的应用主要集中在科研与开发、加工、医疗和军用等四个方面。在科研与开发方面，涉及面很广，包括作核聚变研究用的高峰值功率激光器系统、作光谱研究和新材料开发用的超短脉冲激光器和可调谐激光器、作脉冲全息摄影用的红宝石激光器、作高速摄影用的超短脉冲激光器、测量人造地球卫星轨迹和月球表面用的高精度激光测距仪、遥感用的激光雷达等等。

[周复正，陈有明，胡文涛，王之江，半导体激光泵浦固体激光器的新进展和应用前景，中国激光，1994年5月]

第二节窄脉冲激光技术的发展历程

一台普通的脉冲固体激光器，输出的光脉冲宽度是几百微秒，甚至是毫秒量级，峰值功率只有几十千瓦级，显然满足不了诸如激光精密测距、激光雷达、高速摄影、高分辨率光谱学研究等的要求，正是在这些要求的推动下,人们研究和发展了调Q技术和锁模技术。早在1960年激光问世不久，1961年就有人提出了调Q的概念，即设想采用一种方法把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射；1962年，制成了第一台调Q激光器输出峰值功率为600千瓦，脉冲宽度为10-7s量级；随后的几年发展的非常快，出现了多种调Q方法（如电光调Q、声光调Q、可饱和吸收调Q等），输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展；到了80年代，调Q技术产生脉宽为纳秒（ns）量级，峰值功率为吉瓦（GW）量级的巨脉冲已并非困难。调Q技术的出现是激光发展史上的一个重大突破。它不仅大大推动了上述一些应用技术的发展而且成为科学研究的有力工具，但是调Q技术压缩脉冲因受产生机制的制约，很难再进一步压窄。1964年，科学家们又研究提出并实现了压缩脉宽、提高功率的新机制——锁模技术，由于它能使脉冲的持续时间压缩到皮秒（ps,10-12s）量级，所以也称为超短脉冲技术，从60年代到70年代，超短脉冲技术（包括主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模等相应的测量技术）得到了迅速的发展；到80年代初，Fork等人又提出了碰撞锁模理论，而且实现了碰撞锁模，得到了90fs的光脉冲序列。90年代，自锁模技术的出现，在钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短脉冲序列。锁模技术能产生脉宽为飞秒（fs,10-15s）、峰值功率为太瓦（TW,1012W）以上的超短脉冲，为物理学、化学、生物学以及光谱学等学科对微观世界和超快过程的研究提供了重要手段。

2002年10月得到的最新进展,Lambda Physik公司生产的激光器参数如下，波长1.064mm,平均功率<27W，重复频率10kHz，单脉冲能量<2.7mJ，脉冲宽度（FWHM）15＋3ns，峰值功率180kW，光束宽度0.5mm，空间模式为TEM00模，M2因子<1.2；波长0.532mm,平均功率<13.5W，重复频率10kHz，单脉冲能量<1.3mJ，脉冲宽度（FWHM）15±3ns，峰值功率86kW，光束宽度0.5mm，空间模式为TEM00模，M2因子<1.2。

激光调Q技术

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