[转帖]二极管泵浦固体激光器的进展

阿维 · 发表于 2003-10-17 17:45:00

为什么采用二极管泵浦？
　　二极管泵浦与弧光灯泵浦相比具有优势。传统的Nd:YAG激光器采用宽频带弧光灯进行泵浦。弧光灯产生的辐射超过宽频谱。由于Nd:YAG只能吸收窄波长段的光线，所以大部分的辐射被浪费掉。相比而言，二极管激光器可通过调节产生特定波长的光线。这样，通过选择和温度调节，可使二极管激光器产生的频率集中在808nm左右。这种情况下，二极管激光器的输出大部分都被Nd:YAG吸收。
　　泵浦效率的提高直接带来两方面的好处：降低Nd:YAG的热量浪费、提高插孔输出效率的数量级。前者为改进激光器的输出特性，特别是噪音和光束质量（M2及椭圆形）提供了条件。与灯泵浦或气体激光系统相比，后者更便于实施。低功率二极管泵浦激光器仅需要一个可进行快速热传递的热导安装表面（例如铝）进行散热。而一般的高功率二极管泵浦激光器需要一个小型的闭合循环冷却系统。这和气体激光器需要的三相电源、开路非循环冷却系统完全不同。下表总结了二极管泵浦激光器与光束浦固体激光器及气体激光器相比的主要优点及不足。
表1 二极管泵浦激光器的忧缺点
DP激光器的优点现存的不足
近衍射限制光束输出。产生的波长有限（与固体激光相同）。
二极管寿命一般为20,000小时，可降低维修成本，大幅减少停机时间。单位瓦特的初期成本相对较高。
不要求高功率输出时可提供低功率量级（例如，小型离子激光器功率＜50mW，而大型激光器可提供几瓦的功率）。相对经济的激光器功率，仅限于几十瓦特（功率较高的激光器价格昂贵，不适于商业应用）。
固体设计可靠，坚固。
由于热损失较小，且结构也较小，CW或Q开关激光器噪音较低；功率较高时，光束输出为近衍射限制。
高插孔输出效率可减少所需的设备。
不产生震动（激光器可固定在敏感测量设备的附近，对测量不会造成影响）。

早期发展和商业用途
　　利用二极管对固体材料进行泵浦的概念并不是新提出来的。早在1962年就已经对第一台二极管激光器进行了论证。两年后又对二极管激光泵浦铀掺杂CaF2激光器进行了论证，但是这种激光器需要低温冷却。直到1972年，才能在室温下对Nd:YAG进行泵浦，但是产生的能量非常低。
　　20世纪80年代早期，室温下GaAlAs二极管产生几十毫瓦能量技术的推广，促进了二极管泵浦固体激光器在商业上的应用。由于二极管泵浦输出功率有限，第一台二极管泵浦激光器的能级仅有10mW。但这种低能级仍可用于辗压工艺。
　　二极管泵浦激光器的最早应用之一是灯泵浦Q开关激光器的光束注入。在该应用中，将二极管泵浦的单纵模，CW激光器输出注入灯泵浦开关激光器的谐振腔。注入光束引起激光反转过程比由自发形成的激光反转过程要快。所以，Q开关腔只对与注入光束中同一纵模的光束进行增益提取。结果是单纵模操作的Q开关激光器可以大大改进能量及振幅的稳定性。在这种条件下，二极管对注入光束的泵浦就十分关键了。因为二极管泵浦效率产生的热效率较低，从而降低了噪音。保证了单纵模操作。大部分的激光器采用多纵模操作，这意味着揩振腔中的谐振频率不只一个。从理论上讲，一个谐振腔中可对无数个频率进行谐振。然而在增益材料产生的带宽范围中的实际数量是有限的。就单纵模激光器而言，所有的增益是由单模产生的，而单纵模与谐振腔共振的增益值最大。其它的一般采用多纵模谐振腔。如果所有的增益由单纵模产生，就没有足够的增益激励其它谐振腔产生激光了。二极管泵浦采用的谐振器尺寸较小，注入源采用的谐振器一般是仅有指甲盖大小的单片环形谐振器。
　　早期的其它应用还包括通讯和利用Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4等材料在13及1(m处的信号传感。与只采用二极管器件相比，这些器件产生的噪音更低，产生TEM00的输出，输出功率更高。在过去10年中，通讯二极管的能级得以提高，二极管泵浦激光器的功率也按比例增加，产生的功率比通讯二极管高。
早期的工业应用
　　20世纪80年代末，随着二极管激光器设计及生产工艺的改进功率为lW的二极管产生了。这为早期的二极管泵浦设计提供了标准。二极管泵浦激光器功率由100mW提高到1W左右。这时，二极管激光器开始替代灯泵浦及气体激光器，在工业上有限应用了。
　　最早的显著变化是对半导体存储器维修市场的冲击。在该应用中，半导体晶片中集成了丰富的电路。晶片制造好后，进行测试及探伤识别。然后采用激光束除去晶片上的连接痕迹，达到修正晶片的目的。20世纪70年代到80年代期间都是采用灯泵浦Q开关激光器进行该工艺的。80年代末，二极管泵浦技术的引入很快就取代了灯泵浦系统在这一领域的应用。二极管泵浦系统产生的振幅稳定性及光束质量都比灯泵浦系统产生的好。由于随着膜后收缩窗口在加工过程中越来越致密，所以在连续膜处理中，改进光束质量与能量稳定性就显得十分重要了。另外，一般的灯每500小时就要换掉。因换灯造成的不定期停机时间会造成昂贵的成本浪费。生产商承诺二极管泵浦激光器的使用寿命为10,000小时。实际上这个数字是很保守的。二极管泵浦激光器的优良性能及先进的工艺克服了早期的价格差异，证明选择二极管泵浦激光器具有优越性。
　　二极管泵浦激光器在照像复印领域的应用也带来了巨大的工业冲击。使用绿光激光对印刷板进行化学腐蚀。这种印刷板用在胶板印刷中（如报社），可印刷出上百或上千份印刷品。在引人信频、二极管泵浦激光器以前，一直是采用小型（气冷）氢离子激光器。然而氩离子激光器会产生大量的热，引起平板固定器（用来制造印刷板的机器）的振动，而且输出功率仅有20mV左右。二极管泵浦激光器避免了以上的缺点，输出功率可超过100mW。因此通过平板固定器的功率更高。所以尽管使用成本很高，但现在大部分的新型化学腐蚀平板固定器都采用了二极管泵浦激光。
目前状况
　　在二极管泵浦激光技术早期发展的基础上，目前正着手对激光器二极管泵浦源的研究，特别是当20W激光器的二极管棒的价格与1W的元件价格相差元几时，10W级的二极管泵浦激光器就具有商业应用的可行性。
　　高功率二极管泵浦激光器的用途包括：
　　* 倍频CW激光器取代实验用的大型离子激光器；
　　* Q开关IR激光器取代灯泵浦系统在刻划与微调方面的应用；
　　* 高重复频率Q开关激光器启动了磁盘织构市场；
　　* Q开关UV激光器取代HeCd激光器在立体印刷工业中的应用，并取代灯泵浦固体激光器进行中间钻孔工艺；
　　* CWIR激光器在热印刷市场上的应用；
　　* Q开关远UV激光器取代受激准分子激光器在半导体印刷市场上的应用。
二极管泵浦激光器设计范例
　　领域内的任何划时代的变化必将改变人们的思维方式以适应发生的变化。这就是当前二极管泵浦激光器设计面临的问题。在这种情况下，二极管泵浦源对设计将产生重要影响。因为：
　　* 经证实二极管激光器的寿命与其它半导体器件相比具有可比胜；
　　* 谐振腔的设计比传统的灯泵浦系统的小得多。
　　正如上文所述，用来泵浦固体激光器的二极管失效的平均寿命（MTTF）一般为20,000小时左右（2.5年，全天候）。这个数字主要取决于不同的二极管及驱动强度。这些都只是统计数字，考虑到初始失效且部分失效是包括在预计的50,000小时之内和其间出现的问题。同时，由于制造工艺的不断改进，二极管寿命普遍增加。
　　有关二极管使用寿命的一个重要问题就是光泵浦（激光二极管）不再是激光器系统中的主要失效机理。简易的系统设计可改进整个系统的可靠性，满足用户的最大需求。过去，泵浦源是灯泵浦及早期二极管泵浦激光器中的主要失效机理，同时还存在如光失准、镀膜损坏及污染等其它失效机理。通过简化激光器系统、减少光学器件的数量，可降低因其它机理产生的类似失效。例如，二极管激光器可安装在激光头的外部，泵浦光通过纤维后聚焦到有多个光学器件的谐振腔上，或将二极管安装在增益材料（Nd:YAG）附近。在第一种情况下，光纤、连接器及附属光学器件会遭到损坏、划伤、失准或受到污染。在第二种情况下，由于不存在这些器件，潜在的失效机理就会大大减少。另外，光学器件较高的系统的操作有效性会普遍降低。因此，二极管驱动要更强才能达到要求的性能，这将导致二极管失效机率的增大。如果激光系统尽可能简洁，潜在失效机理将达到最小化，二极管寿命就会达到最佳。
　　二极管泵浦激光器的产生为谐振腔的设计带来了新的机遇和挑战。例如，二极管光线相对而言更容易聚中（与弧光灯产生的光线相比），这样有利于二极管泵浦激光器终端泵浦的相对校直。相反，由于相对低的热负载（与灯泵浦比较而言），二极管泵浦可采用新型侧泵浦技术以产生更好的光束质量（M21.1，高斯，圆形），而这以前就只能通过终端泵浦空腔获得。此外，通过激光致密聚焦增益介质，研制出了1-ns脉冲周期的二极管泵浦Q开关激光器。由于强度聚焦以及急剧变小的束形，对实现空腔内部强度的增加为设计和加工提出了巨大的挑战。总之，结构的变小为设计提供了更大的灵活性，可以得到前所未有的结果。
未来
　　对二极管激光器的研究工作主要集中在降低或消除表列出的缺点上。
　　* 使用功率较高的二极管可获得功率较高的二极管泵浦激光器。目前可通过商业途径获取二极管“堆叠”。在这种器件中，多个20W激光棒安放在同一激光器二极管平面上，能量输出超过100W。
　　* 随着增益材料及非线性材料的不断发展，可产生额外的波长。更确切他说，推动了对波长达UV级的激光器的商业需求。
　　* 单位瓦特价格的下降使得二极管泵浦激光器的价格持续下降。销量决定价格。只要二极管激光器总量保持在每年几千台，其它器件的价格不会受重大影响，二极管激光器的价格不会有预期的大幅下降。
　　最后，应加强二极管泵浦激光器设计的可靠性。而二极管寿命一定时，系统可靠性要与二极管寿命匹配。例如，通讯用激光器二极管的MTTFs为100,000小时。由此可推论，这些器件的MTTFs也为1,000,000小时。如果在整个系统的设计中考虑到了这个原因，那么二极管泵浦激光器达到相当的可靠性也就顺理成章了。
总结
　　20世纪80年代中期，二极管泵浦激光器研究领域中的商业人员和学术人员对硅基固体的本质特点进行论证。利用这种固体特性可生产出质量高、可靠性好及使用寿命长的激光器。现已对大部分的特性进行了论证。另外，近几年来每瓦特的价格已大幅降低。二极管泵浦激光器设计的改进及其在焊接、切割等传统激光器应用领域的使用和因其独特性开辟的新市场，使这种趋势不断持续。

hidorigurashi · 发表于 2011-5-3 17:01:46

好好看看，我得好好看看~

Happywen · 发表于 2011-6-2 10:56:37

Happywen · 发表于 2011-7-3 14:24:25

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