（光学工程专业论文）二极管侧面泵浦薄片激光器结构参数的设计与分析.pdf

摘要 摘要 二极管泵浦薄片激光器是固体激光器件中的一个重要研究内容，在高功率激 光器中占有重要的地位，是固体激光器一个有生命力的发展方向，有广阔应用前 景。本论文的目的主要是在保证激光器高光束质量的前提下提高激光器的输出功 率。本论文提出了二极管激光侧面泵浦复合薄片晶体激光器的新型结构，并对此 进行研究。 本论文综述了端面泵浦薄片和侧面泵浦这两种薄片激光器技术现状，分析评 述了这两种不同类型薄片激光器的技术优势和技术限制，介绍了y b ：y a g 和 n d ：y a g 的特性及其优缺点的比较，并指出了薄片激光器未来的发展方向。 设计了一种用来准直二极管阵列快轴的柱面微透镜，对其用光学软件z e m a x 做了效果模拟，并进行了准直实验，结果表明，设计的微透镜符合泵浦要求。 对薄片内泵浦光强分布进行了系统研究，建立了完备的理论模型，研制了一 套泵浦光强分布计算机模拟设计程序，获得了一系列泵浦光强分布的三维模拟图 象，分析了各个参数对泵浦光强分布的影响。 对薄片激光器的热效应进行了分析，从理论上得出了薄片的热焦距表达式。 对薄片激光器的谐振腔进行了设计，采用平凹腔的结构，并使其在稳区工作并有 较大的基模体积。对薄片激光器的输出特性进行了分析，设计了相关参数，并在 此参数下得出了光束质量、输出功率和转换效率的理论值。 为了有效控制温度，对二极管阵列采用微通道冷却，对薄片晶体采用射流冷 却，并设计了微通道冷却器和射流冷却热沉。设计了二极管阵列的排列、泵浦结 构和谐振腔，并从整体上设计了薄片激光器的结构。 关键词：薄片激光器，侧面泵浦，转换效率，光束质量 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t d i o d e p 岫p e d 1 i n d i s kl a s e ri s 觚i i n p o r t 咖唧e c ti l lt 1 1 es t u d yo f s i l i ds t a _ t el 硒e r ， 、) l 枉c hp l a y sas i g n j f i c a n tr o l ei ns 0 1 i dl 嬲e ff i e l d 锄dh 嬲g r e a tp o t e m i a la n db r o a d p e r s p e c t i v ei n 印p l i c a t i o n t h cp a p c rp u r p o s ei s t 0i i n p r o v eo u _ c p u tp o w e ro nt h e p f e c o n d m o no fm a i 他狮n gh i 曲b e 锄q u a l i 够t h ep a p e rp r e s e n t san e ws 咖c 嘶 恤ti sd i o d cs i d e - p u m p e dc o m p o s i t en 血d i s kl 邪e l t h ep a p e rs m n m a r i z e sc e mt e c l l n o l o g yo ff 如昏p 啪p e dt l l i nd i s kl 嬲e r 锄d s i d c - p 啪p e dm i nd i s kl 鄱a 1 1 a l y z e st l l e i ra d v 锄t a g e 8a i l dr e s 仃i c t i o i l s ，i n l d u c e s c h a r a c t e r i s t i cp m p e r t ya n dt 1 1 e i rc o m p a r i s 0 玛p r e s e m st l l ed e v e l o p i n e m 仃c n d so ft l l i i l d i s k l a se r c y l i n d r i c a lm i c r o l e n s e sf o rc o l l i i n a t 吨d i o d el a s e r si sd e s i 弘e d w em a k ea c 伽叩u t e rs i i l l u l a t i o no fc o l l i m a t i o no nz e m a x ，a n dd oe x p e r i m e n t s r e s l l l t ss h o w t l l a tt h e s ed e s i 印e dc y l i n d r i c a li i l i c m l e l l s e ss a t i s 匆p u 1 p i i l gd e m a n d s u n d e r 吐l cv 撕o u sc o n d m o n s0 f d i o d es i d e - p 啪p 吐c b a m c t 喇s t i c s0 f g a i l ld i s n i b u t i o ni n 也e 恤d i s ka r es y s t e m a t i cr e s e a r c h e d ac o m p l c t es e to f 也e o r e t i c a lm o d e l i s b u i nu p c o m p l l t e rs i i n u l a t i o ni se m p l o y e d 趾das e r i e so f3 dp a 札e ma i l di i l l p o r t 髓t c h 锄c t e r i s d cp a r 锄c t e r sa r eo b s e “e d e g b c to fc h a n g eo fs y s t c l np a r 鼬c t e r so ng a i n d i s 仃i b 岫o ni s 如a l y z c d t b 锄a 1e 仃e c to f 蛐d i s kl 嬲盱i sa n a l y z c d n 锄a lf o c a ll c n g t he x p r e s s i o ni s c a r r i e do u t 也e o r e 缸c a l l y r c s o n a t o rc a v i t ) ，o fm i nd i s kl a s c ri sd e s i g n e d ，l l s i n g p l 锄e c o n c a v ec a v 时t om d k e “w o r ks 诅b l ya n do b “nl a r g ef i l 】d a m c n t a lm o d e v o l 岫e c h a r a c 蜘s t i c so ft h i nd i s kl a s e fa r c 锄a l y z e d b yu s i n gs o m er e l e v a n t p a r 锄e 铋，w eo b t a i nn u m e f i c a lv a l u c so f b e 锄q u a l 咄o u 印u tp o w e r a 1 1 dc o n v c r s i o n e m c i e n c y f o rc o n t r o l h n gt h et e m p e r a t u r ee 丘b c t i v e l y ，w eu s ei i l i c r o c h a n n e lc o o l i n gf o rd i o d e l 勰e r 翘dj e tc o o l i n gf o rt l l i nd i s kc r y s t a l m i c r o c h 锄e 1c o o l e r ，j e tc o o l e r ，a r r a n g e m e m f o rd i o d el 船e r p 咖叩i n g 蚰：t i l r ea n dr e s o n a t o rc a v i t ya r ed e s i 粤l e d f i i l a l l y ，s y s t e m s t n l c t l l r eo f t i l i i ld i s kl a s e ri sd e s i 星皿e d k e yw o r d s ：t l l i nd i s kl a s e r s i d e p l l n 睇d ，c o n v e r s i o ne 伍c i c n c y ，b e 锄q u a l 时 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 塞互些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 。11 址导师签名：丝日期：童婴! ：塑 第一章绪论 第一章绪论 1 1 二极管泵浦固体激光器概述 激光二极管泵浦的固体激光器( d i o d ep u m p e ds o l i ds t a t el a s e r 。d p s s l ) 事用激光二极管( l a s e rd i d d e ，l d ) 代替闪光灯去泵浦固体激光增益介质的激光 器。 自1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器问世以来，固体激光器技术发展很快， 输出功率和可靠性不断提高。而2 0 世纪8 0 年代以来，激光二极管在功率、转换 效率、波长扩展和运行寿命等方面已经有很大提高，这使得激光二极管泵浦固体 激光器得以迅速发展，二极管泵浦的固体激光器已经成为获得高效率高功率激光 器最有前途的方法之一，成为光电子行业增长最快，最令人瞩目的领域之一，特 别是在军事、医疗、科研等诸多领域有重要的用途，近年来成为国际上竞相研究 开发的热点。二极管泵浦固体激光器因其诸多优点而具有广阔的市场和应用前 景，在某些应用领域，它正在逐步取代二氧化碳激光器、准分子激光器以及其它 灯泵浦的固体激光器n w 。 与灯泵浦相比，用激光二极管作泵浦光源主要有以下几个优点： ( 1 ) 转换效率高。对n d ：y a g 而言，n d ：y a g 只对几条特定光谱有较强的吸收， 而且吸收带宽很窄。而泵浦灯的发光谱线很宽，大部份泵浦光未被n d ：y a g 吸收 而转化成热能，转换效率仅为3 6 。激光二极管的发光谱线窄，中心波长在 8 0 8 啦附近，激光二极管的辐射光谱与固体激光工作物质的吸收光谱基本重合， 并且泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，因此光一光转换效率很高， 达到2 0 9 6 以上。 ( 2 ) 光束质量好。泵浦灯中的大部分电能转换成热能，造成激光工作物质热 透镜效应明显，使激光光束质量变差，而激光二极管泵浦能有效地减少激光工 作物质热效应，并泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，因此能显著改 善光束质量。 ( 3 ) 可靠性高。泵浦灯使用寿命短，约为4 0 0 一1 0 0 0 小时。由于换灯而造成 的损失较大，导致生产效率降低。而激光二极管的使用寿命很长，可达1 5 0 0 0 小 时以上，因此用二极管代替泵浦灯可以使激光设备的维护工作大为减少。 ( 4 ) 激光系统的体积小。使用灯泵浦的固体激光器需要庞大的电源和水冷系 北京工业大学工学硕士学位论文 统，激光系统体积大。激光二极管体积小、重量轻、结构紧凑，热损耗小，相应 的电源和水冷系统也小得多，为激光系统的小型化提供了有利条件。 1 2 二极管泵浦固体激光器研究背景和现状 1 2 1 几种典型的d p s s l 结构 随着功率的提高，d p s s l 中增益介质内的热应力也随之增大，并相应地限制 了固体激光器在大功率下输出高光束质量激光的能力。因此，如何降低热的影响， 成为大功率高光束质量输出的一个重要因素。事实上，散热问题一直伴随着圆体 激光器的发展。为此，人们设计了各种不同的结构和材料来克服它。 d p s s l 按泵浦光进入增益介质的方位不同，可以分为端面泵浦( 泵浦光从增 益介质的端面入射) 和侧面泵浦( 泵浦光从增益介质的侧面入射) 两种。以下将 对这两种泵浦方式进行简单的介绍与比较。 端面泵浦的结构示意图如图l 一1 所示。在端面泵浦方式中，泵浦光在经过 一组准直聚焦透镜后从晶体的端面入射到晶体中，泵浦光的入射方向与产生的激 光振荡方向一致。只要工作物质足够长，泵浦光就能全部被吸收，而且泵浦光能 与激光振荡模式相匹配，因此，采用二极管端面泵浦的固体激光器，效率高，输 出光束质量好。但是，由于工作物质端面面积有限，不可能输入很大的泵浦功率， 而且会聚具有较大发光孔径的大功率二极管泵浦光比较困难，同时，受晶体损伤 阈值限制，也不可能输入输入很大的泵浦功率。再者，在小的泵浦空间内产生的 热会造成热透镜效应，而且不易补偿，降低了光束质量。由上述可知，端面泵浦 一般应用于小功率的二极管泵浦固体激光器。 图l 一1 一种典型的端面泵浦方式 一2 一 第一章绪论 侧面泵浦的结构示意图如图l 一2 所示。就是让泵浦光从工作物质的侧面进 入的泵浦方式。在侧面泵浦结构中，二极管沿激光晶体轴向方向排列，泵浦光的 入射方向与产生的激光振荡方向垂直。由于工作物质侧面面积较大，有利于散热， 二极管泵浦功率密度较端面泵浦低，并且耦合光学系统相对简单。同时，靠增加 工作物质的长度也很容易提高输出功率。这种方式普遍应用于大功率二极管泵浦 固体激光器。 图1 2 一种典型的侧面泵浦方式 d p s s l 按增益介质的形状不同，大体可以分为棒状、板条、光纤及薄片激光 器四类。以下将对这四类激光器进行简单的介绍与比较。 1 棒状激光器 棒状增益介质的尺寸在径向方向上通常为几毫米，在轴向方向上为十几到上 百毫米。端面泵浦和侧面泵浦都可以用于棒状激光器。棒状激光器在2 0 多年前 就已经应用于工业界，是目前全固态激光器中应用最广泛的一种。二极管泵浦的 棒状激光器以及谐振腔的设计都源自于闪光灯泵浦的固体激光器，它的设计与制 作技术都已经相当成熟，尤其是侧面泵浦的棒状激光器。但无论是端面泵浦还是 侧面泵浦的棒状激光器，都存在较为严重的热透镜效应，极大地限制了其在大功 率下输出高光束质量激光的能力。 2 板条激光器 板条的概念是七十年代提出来的。板条状增益介质的厚度通常为几毫米，长 宽为十几毫米至几十毫米。板条晶体两个最大的平面用于冷却，提供最有效的散 热。板条结构的散热能力大大优于棒状结构。为了得到最优的散热效果，板条状 工作物质的宽厚比都很大，可以达到几十。板条激光器的优点在于它的温度梯度 北京工业大学工学硕士学位论文 在很大程度上平行于激光光束，因此大大减小了热透镜效应和应力双折射，适合 大功率运转。但板条激光输出截面是长方形而且两个方向上的光束参积不相等， 不利于发射、远距离传输，另外，板条侧效应、端效应会严重影响光束质量并且 要求的调节精度较高。 3 光纤激光器 光纤增益介质是掺稀土元素的增益光纤，可长达几十到几百米，缠绕在一个 边长仅几个厘米的盒子里。光纤激光器具有阈值低、转换效率高、体积小、重量 轻，稳定可靠，无需复杂的散热结构等许多优点，使其特别适用于光通信领域。 最近，美国i p g 公司推出了一系列高功率的光纤激光器，最高可达5 0k w ，在工 业上得到广泛的应用。从发展态势上看，光纤激光器不仅在光通信领域有重要的 应用，而且迅速地向其它更为广阔的激光应用领域扩展。 4 薄片激光器 薄片增益介质的厚度通常为几百微米，直径为几毫米到几十毫米，具有大的 口径厚度比。在均匀泵浦和冷却的情况下，能够有效地控制增益介质径向温度 梯度，介质的热流近似为垂直于薄片表面的一维情况，从而减小了热透镜效应， 确保了激光高光束质量输出；同时由于具有较大的通光孔径，减小了其它结构形 式固体激光器通常所具有的衍射效应和光束截断损失。激光定标放大可以通过增 大介质口径及采用多片增益介质来实现，并且能够保持良好的光束质量。因此， 薄片激光器十分适合高亮度、高平均功率发展需要。 1 2 2 国内外现状 1 9 6 4 年，美国m i t 林肯实验室的k e y e s 和q u s i t 就实现了第一台用半导体 激光器作泵浦源的固体激光器”，他们所用的激光器材料是波长在2 6 1 3 | lm 的 c a f 2 ：u 3 + ，这次半导体激光器泵浦固体激光器的成功尝试为固体激光器的发展 开辟了一个全新的领域。虽然早期用半导体激光器作为泵浦源的实验研究就已表 明半导体激光器泵浦与闪光灯泵浦相比有很多优点，但是直到最近2 0 年，半导 体激光器才实现室温下长时间稳定工作，二极管泵浦固体激光器也才开始得到长 足的进步。 1 9 9 5 年，德国汉诺威激光中心的g 0 1 l a 采用1 0 8 只输出功率为l o w 的二极管 激光器从9 个方向泵浦n d ：y a g 棒，每只激光二极管前都安装了巾3 咖准直透镜， 将二极管泵浦光耦合进聚光腔“1 。通过精确的温度调节，使二极管的输出波长控 制在8 0 8 衄，与n d ：y a g 晶体的吸收峰相吻合。晶体尺寸为m5 x 2 2 0 唧，掺杂浓 度为o 9 a t ，为了减小泵浦光的反射损耗，晶体侧面抛光。当泵浦功率为l l o o w 时，得到了最大输出功率3 0 0 w 的连续激光输出，斜率效率达3 2 ，光束质量为 第一章绪论 3 0 咖i i l r a d 。当输入的泵浦功率为4 0 0 w 时，得到最大的t e m 0 0 模输出4 5 w ，光束 质量达到1 3 倍衍射极限。 1 9 9 9 年，德国c h r i s t i a ns t e w e n 等人研制了输出功率为1 0 7 0 w ，光一光转 换效率为4 8 的薄片激光器。1 。工作物质为厚度2 0 0 | im 、直径5 衄的y b ：y a g 薄 片。由于薄片太薄，采用1 6 通泵浦耦合系统来提高泵浦光吸收效率。 2 0 0 0 年，美国r j b e a c h 等人研制了高功率端面泵浦y b ：y a g 激光器嘲。该 系统的工作物质由2 根直径为2 咖、长5 0 咖的y b ：y a g 棒串联而成。y b ：y a g 棒的 两端各有一段非掺杂的y a g 晶体，其作用为：1 、使y b ：y a g 更好的散热，从而防 止y b ：y a g 端面变形，消除端面破裂的危险；2 、使膜层与y b ：y a g 隔开一定的距 离，减少温度对膜层的影响，从而起到保护膜层的作用。二极管阵列发出的泵浦 光通过传输效率为8 2 的空心透镜导管导入到y b ：y a g 棒内。每个二极管阵列的 最大功率为2 k w 。当泵浦功率为3 9 3 0 w 时，可得到最大输出功率为1 0 8 0 w ，光束 质量因子m 2 为1 3 5 ，光一光转换效率为2 7 5 ，电一光转换效率为1 2 3 。 2 0 0 3 年，东芝公司研制成功输出功率为千瓦级的二极管侧面泵浦固体激光器 “”。二极管阵列发出的泵浦光从3 个不同方向进入到直径为8 衄、长2 0 3 衄、掺 杂浓度为0 6a t 的n d ：y a g 圆棒中。谐振腔长度为2 3 0 唧。在连续工作条件下， 最大输出功率可达2 k w ，光一光转换效率为4 8 ，电一光转换效率为2 2 。当6 个n d ：y a g 棒串接在一起时，最大输出功率可达1 2 k w ，电一光转换效率为2 3 。 2 0 0 4 年，中科院研制了双棒串接的二极管泵浦n d ：y a g 激光器，输出功率达 1 1 5 k w “。5 个相同的二极管阵列均匀地排列在n d ：y a g 棒周围，进行泵浦，以实 现泵浦均匀性。n d ：y a g 棒直径为7 砌、长1 8 0 衄，掺杂浓度为o 7a t 。谐振 腔为短平一平腔。单棒输出功率可达5 7 0 w ，光一光转换效率为2 7 3 。采用双 棒串接时，在两根棒之间插入9 0 石英旋光片以改善光束质量，此时，输出功率 可达1 1 5 7 w ，光一光转换效率为3 5 1 。 2 0 0 5 年，德国d i e t n l a rk r a c h t 等人研制了输出功率为1 2 1 w 端面泵浦复合 n d ：y a g 激光器“。1 0 个二极管发出的泵浦光分别通过1 0 根孔径为6 0 0 | lm 的光 纤耦合在一起输出，每个二极管的最大输出功率为3 0 w ，因此最大泵浦功率可达 3 0 0 w 。泵浦光经过准直会聚系统汇聚到工作物质内。此工作物质为一复合结构， 直径3 唧，中间为4 0 m 长、掺杂浓度为o 1 a t 的n d ：y a g 晶体，两端各为7 砌 长的非掺杂y a g 晶体。工作物质两端面均镀1 0 6 4 叫的增透膜，靠近泵浦光的那 个端面镀8 0 8 衄的增透膜，另一端面镀8 0 8 咖的增反膜。这样，泵浦光的吸收率 可达9 5 。当输出耦合透镜的透过率为2 2 ，泵浦功率为2 3 2 w 时，输出功率可 达1 2 1 w ，光一光转换效率为4 8 。 2 0 0 5 年，美国h a n sb r u e s s e l b a c h 等人研制了输出功率为2 6 5 k w 侧面泵浦 y b ：y a g 激光器“”。y b ：y a g 棒为一复合结构，其中掺杂浓度为o 6a t 的部分直 北京工业大学工学硕士学位论文 径为4 砌，长8 0 硼，两端各有一段直径6 唧，长2 4 唧的非掺杂y a g 晶体。此激光 器输出功率可达2 6 5 k w ，光一光转换效率为2 8 ，这是目前单棒y b ：y a g 激光器 所能达到的最高功率。 2 0 0 5 年日本科学家m a s a k it s u n e k a n e 等人采用二极管侧面泵浦单块复合晶 体( y b ：y a g c e r a m i cy a g ) 薄片获得了大于1 0 0 w 激光输出“”，并于2 0 0 6 年4 月日 本科学家m a s a k it s u n e k a n e 等人采用二极管侧泵浦单块复合晶体 ( y b ：y a g c e r 锄i cy a g ) 薄片上获得了2 3 0 w 的激光输出“，于2 0 0 6 年7 月采用二 极管侧面泵浦单块复合陶瓷晶体获得了4 1 4 w 的激光输出o ”。 近年来，国内二极管泵浦固体激光器的研究也十分活跃，上海光机所、中科 院物理所、清华大学、天津大学、四川大学、山东大学、长春光机所、华中科技 大学等单位先后开展了二极管泵浦固体激光器的研究，均取得了一系列成果。 目前，国外千瓦级的二极管泵浦固体激光器已进入工业和国防等领域的实用 阶段，相比之下，在国内，受资金及激光二极管技术的限制，二极管泵浦固体激 光器的研究工作起步较晚，尤其是侧面泵浦的固体激光器。我国高功率连续二极 管泵浦固体激光器仍处于实验室阶段，输出功率小、稳定性，难以在实际激光加 工系统中应用。因此，我国的二极管泵浦固体激光器的总体水平与国际先进水平 差距较大。 1 2 3d p s s l 的不足之处 d p s s l 的许多优点极大地促进了它的开发和应用，但是也存在某些不足之处， 主要有：( 1 ) l d 辐射区比较小，激光束的发散角比较大，由于非圆形的光束截 面，所以耦合比较困难，往往需要采用光束变换、光纤耦合等技术；( 2 ) l d 不 适合在高峰值功率状态下泵浦，比如对n s 量级短脉冲、高峰值功率运转，高功 率能量的存储、释放，容易导致l d 的损坏；( 3 ) 现在l d 的价格还比较昂贵， 所以采用l d 做泵浦源的整个激光系统的性能价格比受到限制，这在某种程度上 影响了它的应用；( 4 ) 由于在高功率工作时，必须对l d 采取一定的冷却措施， 以避免光损伤并且延长器件的寿命，而且对温控的精度要求比较高，般来说要 达到o 1 0c ，这将不可避免地增加整个激光系统的复杂性，并且进一步增加系 统的成本；( 5 ) l d 对电源的要求也比对闪光灯电源的要求要高，必须严格控制 驱动电流的尖峰并且要采取必要的保护措旖以免l d 在瞬间损坏或者降低其寿命； ( 6 ) l d 泵浦的激光系统体积小、结构紧凑，这在另一方面也给l d 的装配造成 了一定的困难，必须设计良好的机械结构并预先进行模拟。 一6 第一章绪论 1 3 二极管泵浦固体激光器的应用 d p s s l 具有高效率、紧凑、稳定、长寿命和全固态等优点，在工业、医疗、 科研和军事等方面有着重要、深远的应用前景“”“。高平均功率1 0 0 0 wd p s s l 已 应用于汽车工业加工；2 5 m w 的d p s s l 实现了机载空一海通讯；5 胂的高重复频 率d p s s l 成功地用于飞机和航天器测距，使大地测绘技术发生革命性飞跃。 1 、用于材料加工 多少年来，c 0 2 激光器和传统固体激光器一直主宰着激光材料加工领域。对 材料加工来说，最重要的是激光的亮度，即在单位面积、单位立体角内辐射的光 功率。与普通光源在4 立体角内发射光不同，激光本身的相干性使激光具有高 的亮度，在其它条件相同的情况下，短波长激光的亮度比长波长激光的亮度高。 国外已经将2 千瓦和2 6 千瓦的d p s s l 的糊：y a g 激光器用于焊接汽车部件，用 光纤耦合，比同功率的c o 。激光焊接机体积要小的多，焊接速度更快。计算机行 业，用倍频的d p s s l 作为磁盘驱动器的加工工具，使寿命大大延长。紫外激光与 材料的相互作用是光化学效应，d p s s l 在体积上与准分子激光器相比有更多的优 势。高功率d p s s l 可以直接用于材料加工，高光束质量的d p s s l 输出非常有利于 材料加工，如常规的激光加工、微加工、精密加工等，其应用范围在逐年扩大。 d p s s l 在激光打标这个材料加工市场所占的份额将逐年增加，高功率输出以及到 绿光和紫外光的频率转换效率的提高意味着它们将继续获得很好的发展。 2 、用于激光显示 连续输出功率在数十毫瓦的蓝、绿激光束在光盘、光复印等方面是很有应用 前景的。将d p s s l 和非线性光学频率交换技术相结合可以输出红、绿、蓝三色并 用于激光全色显示，具有很高的亮度、对比度和空间分辨率以及大的图像尺寸( 如 4 m 6 m ) ，光显示是d p s s l 应用很多的领域。在国外，低功率d p s s l 用于室内娱 乐场所的表演，较高的功率则用于室外艺术演示，用于娱乐和显示的器件销售额 近年来增长很快。 3 、用于光纤通信 由d p s s l 得到的1 3 1 i l m 激光曾成为量大面广的c a t v 光源之一。对c a t v 来 说，要求其光源有高( 1 0 m w 以上) 的入纤功率和好的功率一电流线性，可供选择 的光源是多量子阱半导体激光器和d p s s l 。而d p s s l 有着比多量子阱半导体激光 器更高的输出功率、更好的线性和光束质量，从而可以获得更大的功率富裕度和 载噪比。 4 、用于军事领域 激光武器具有能量集中、传输速度快、作用距离远、命中精度高、转移火力 快、抗电磁干扰、能多次重复使用和作战效费比高等优点，是完全不同于导弹火 北京工业大学工学硕士学位论文 炮等火器的新概念武器。诸多优点将使得d p s s l 成为一种很有发展潜力的高能激 光武器，现在正在被越来越广泛地应用于激光制导、激光跟踪、定位瞄准、远距 离测距、地形地貌测量、地面目标保护、水下成像、海底探潜、精密测量、目标 摧毁等军事领域。目前，美国、俄罗斯、德国等发达国家已经把大功率d p s s l 系 统应用于地基和天基激光武器系统中。 5 、在医疗上的应用 d p s s l 长期稳定工作在t e 模状态，输出激光起伏小于1 ，转换效率高， 可做成结构紧凑、维护容易的便携式医用仪器而受到重视。l d 泵浦e r ：y a g ( 2 9 4 um ) 、h o ：y a g ( 2 1 2 p ) 、n d ：y a g ( 1 0 6 i lm ) 、n d ：y l f ( 1 0 5 3 p m ) 等中红外激光器， 具有高稳定性和高光束质量的特点，接近生物组织中水的吸收峰，可被生物组织 强吸收，渗透深度低，避免了炭化现象，是心血管手术和牙科手术等的理想医用 激光器。而d p s s l 的倍频和混频器件工作在蓝绿光波段，是合适的视网膜手术激 光器。近年来，l d 泵浦的固体激光器正在替代离子激光器应用于许多眼科和外科 手术中，现在已经用d p s s l 作手术治疗、肌肉组织焊接、牙科治疗、光镇痛和光 针灸等。 6 、在科学研究上的应用 激光器在科学研究中有很多用处，国内这块市场基本上被国外公司占领。由 于l d 泵浦的固体激光器具有很多优点，因此很受科学界的欢迎。如作为锁模掺 钛蓝宝石激光器的泵浦源，二极管泵浦的绿光系统已经基本取代a r + 激光器，使 得整个装置的体积大大缩小。 基于d p s s l 的各种优点，除了上面列举的那些应用，还有许多其它的应用， 如大功率d p s s l 用于基础研究、激光分离同位素、受控核聚变驱动器等。总之， d p s s l 的广泛应用将会极大地促进d p s s l 本身的发展，二者互相促进，共同发展。 1 4 课题意义和研究内容 近年来，二极管泵浦固体激光器的研究主要集中在如何在提高激光输出功率 的同时保证好的光束质量。在激光研究领域，提高二极管泵浦固体激光器的输出 功率和亮度来满足日益增长的应用需求一直是激光研究者的主要任务和目标。但 是，在保证激光器高光束质量和输出效率的同时来提高输出功率却并不是一件容 易的事，其中主要障碍来自于泵浦时激光晶体内热量的积累，它会带来温度分布 的不均匀性，以及因此而产生的内部应力，晶体端面变形等问题。这些影响产生 的热透镜效应将会导致激光光束质量变坏，应力双折射退偏效应等，当热应力超 过激光晶体的应力极限时甚至会导致晶体破裂。 第一章绪论 因此，二极管泵浦固体激光器的发展迫切需要一些新的改进和创新来突破当 前的瓶颈。本课题正是基于这种需要而进行的，本课题的目的主要是在保证激光 器高光束质量的前提下提高激光器的输出功率，从而提高转换效率，而这正是工 业应用和科学研究对所迫切需要的。 从前面国内外的研究现状中可以看出，薄片结构激光介质是固体激光器减小 热效应、提高光束质量的有效途径；减小薄片晶体激光介质的热负荷、提高泵浦 的均匀性、提高泵浦光耦合效率，是薄片激光器在保持高光束质量的前提下提高 输出功率的发展趋势。 我们提出了二极管激光侧面泵浦复合薄片晶体激光器的新型结构：采用圆形 薄片掺杂增益介质晶体圆周与未掺杂多边形y a g 晶体薄片复合的结构，泵浦光从 薄片的侧面进入晶体，使掺杂增益介质晶体薄片内泵浦光与振荡激光匹配，提高 激光器的效率；通过增大薄片激光介质的面积，增大通光口径，使激光器的功率 可定标放大；通过复合晶体外侧采用多边形结构，可多向侧面泵浦，进一步增加 泵浦均匀性、简化泵浦光结构，以获得高效率、高功率、高光束质量的激光输出。 研究内容：采用二极管激光侧面泵清复合薄片晶体激光介质的新型结构，通 过对侧面泵浦结构、激光介质热效应进行理论分析，对谐振腔进行优化设计，实 现激光二极管泵浦光的高效率耦合、薄片激光介质的均匀泵浦，以达到输出高转 换效率、高光束质量、高功率激光的目的。 具体研究内容如下： l 、l d 快轴准直透镜的设计。 2 、泵浦均匀性的分析。 3 、激光介质热效应的理论分析。 4 、激光谐振腔的分析与设计。 5 、激光器的性能分析。 6 、激光器整体系统的设计。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第二章薄片激光器的最新进展 半导体泵浦固体激光器系统比起灯泵浦系统来说有很多明显的优点但同时 也有很大的障碍喇。如何处理在泵浦过程中产生的废热是设计高功率全固态激 光器的最大挑战。不恰当的热处理会产生各种各样的结果，但最终的结果都是影 响激光器功率的输出及其光束质量的好坏“1 。半导体泵浦的固体激光器的典型 问题是其热沉积的不一致，进而导致热透镜效应的出现。热透镜效应不仅不利于 激光器谐振腔的设计而且会使激光光束质量的下降，同时限制着功率输出。 要消除由于废热而引起的后果，必须减少热量和热流密度，减小热流的传导 路程和对激光场的影响。近几年来，关于这方面的研究有很多的设计模型，比较 理想的模型是薄片激光器，其从原理上有效地克服了固体激光器固有的热效应问 题”t 删。 1 9 9 4 年德国斯图加特大学a g i e s e n 等人提出了二极管泵浦薄片激光器的 结构1 。薄片激光器是一类有潜力的高功率激光源，其主要优点是能有效去除增 益介质的热沉积，在获得高功率激光输出同时，保持高效率和高光束质量。薄片 激光器的设计原理较为简单，就是把增益介质加工成具有大的口径厚度比的薄 片，平表面上安装一个散热器，该平面还是激光器的反射镜之一。 这一结构的优点在于：允许非常高的功率密度但在晶体内不会有太高的温 升。在纵向泵浦的平顶泵浦光束作用下这种结构可以产生垂直于薄片表面、几乎 均匀的轴向一维热流，因而可以减小热透镜效应。 但是轴向温度梯度的存在意味着被冷却和没被冷却的薄片晶体的热膨胀是 不一样的，这导致了薄片晶体出现弓形结构，这虽然没引起传统意义上的热透镜 效应，但这个弓形结构是影响激光模式的主要原因，晶体的机械形变也明显和它 有直接关系，在泵浦密度足够大时这种机械变形会使晶体破裂”1 。如何解决晶体 变形将是薄片激光器发展道路上所面临的最大问题。 本章评述了薄片激光器所具有的诱人的应用前景，同时也指出目前遏制薄片 激光器进一步发展的瓶颈，综述了国内外不同类型薄片激光器的技术现状，分析 了不同结构薄片激光器所具有的技术优势，技术限制和发展潜力。 薄片激光器就其泵浦方式而分可分为端面泵浦薄片激光器和侧面泵浦薄片 激光器两种。 第二章薄片激光器的最新进展 2 2 端面泵浦薄片激光器 考虑薄片激光器对热的处理和对泵浦光的吸收两个方面，德国斯图加特大学 的研究人员对薄片激光器做了大量的研究提出端面泵浦结构删，图2 一l ( a ) ( b ) 为斯图加特大学研制的端面泵浦薄片激光器的结构示意图，泵浦光通过八 个凹面反射镜多次反射到晶体上，前后共1 6 次通过薄片晶体，实现完全吸收。 2 0 0 0 年，研究人员采用二极管端面泵浦直径为5 唧、厚度为2 2 4l lm 、掺杂浓度 为9 a t 的y b ：y a g 薄片，获得了6 4 7 w 的激光输出，光一光转换效率高达5 1 。四 个薄片串接获得了1 0 7 0 w 的激光输出，光一光效率为4 8 “1 。最近，理论研究又有 很大的提高，比如单个薄片的输出功率已经被证明能提高到将近2 k w ”。 图2 一l ( a ) 端面泵浦示意图 热# 【及 藕赍翰j b 裂 | l i 危 准 - _ 、 图2 1 ( b ) 端面泵浦示意图 斯图加特大学研制的端面泵浦结构在提高端泵浦效率的同时也减少了热效 应。热沉对薄片晶体表面进行冷却，并且热沉的面积比薄片晶体的表面大，这保 证了热量能很好地传递到热沉上。因此，薄片晶体能被很好的冷却，并且温度梯 度是很小的。另外，热流方向平行于激光腔轴，也就是说热流是沿着薄片晶体轴 向传输的。这就使得只有在轴向上有温度梯度，即在腔内轴向方向上不会引起热 透镜效应。激光介质具有极佳的冷却器效果，可以获得高光束质量输出。 为了减少泵浦光学系统复杂性，提高传输效率，目前美国波音公司正在研究 北京工业大学工学硕士学位论文 一种基于a m a 概念的薄片激光器。”，称作紧凑型有源镜激光器( c o m p a c ta c t i v e m i r r o rl a s e r ，简称c a m i l ) ，薄片厚度约为2 5 唧，直径5 0 1 5 0 哪，装配在高 效制冷的冷却器上，泵浦方式有端面泵浦和边缘泵浦两种。其中，端面泵浦方式 有后端面泵浦和前端面泵浦两种，分别如图2 2 和图2 3 所示。对于后端面泵 浦结构，基底和微通道冷却热沉对于泵浦光来说必须是光学透明的。薄片的两端 面镀双色性膜：( 1 ) 前端面镀激光波长增透膜，泵浦波长全反膜；( 2 ) 后端面镀 相反的膜。前端面泵浦结构与后端面泵浦结构类似，只是不需要光学透明的基底 和微通道冷却热沉。但是，二极管阵列所摆放的位置会影响激光光束的运行。另 外，在相同的条件下，前端面泵浦的薄片的温度梯度比后端面的高2 0 。 为了保证绝大部分泵浦光被吸收，端面泵浦要求增益介质对泵浦光的吸收系 数较大，并选择合适的薄片厚度和掺杂浓度。适合于端面泵浦的增益介质有 n d ：y a g ，n d ：g g g ，n d ：g l a s s 和y b ：f a p 。由于y b ：y a g 的吸收系数小且阈值高，所 以不适合端面泵浦。例如，一个2 5 m 厚的y b ：y a g 薄片的y b ”掺杂浓度为4 0 a t 才能保证吸收9 0 的泵浦光。而如此高的掺杂浓度需要高达7 k w c m 3 的泵浦功率 密度，这是不切实际的。 图2 2 后端面泵浦的c a m i l 模块 图2 3 前端面泵浦的c 心i l 模块 第二章薄片激光器的最新进展 c a m i l 的冷却热沉采用开放式微通道结构设计，冷却液直接浸润增益介质表 面。薄片通过气压装夹在冷却热沉表面。增益介质可以采用掺杂n d 3 + 的y a g 、g g g 。 n d ：g g g 尺寸可达1 5 c m ，对于发展1 0 0 k w 功率水平的盘片激光器，n d ：g g g 是十分 合适的增益介质。对于给定的孔径尺寸，最大的平均激光功率受增益介质的热效 应和a s e 损失的限制。因此，随着孔径尺寸的增加，泵浦功率密度必须降低，以 避免过多的a s e 损失和自激振荡。同时随着孔径尺寸的增加，增益介质中的热通 量变得足够低，减小了光学畸变，并可以采用玻璃作为基质材料。 理论模型表明，在a s e 损失和热效应允许的范围内，c a m i l 输出平均激光功 率以孔径尺寸的1 5 次方幂增加，充分表明了大口径介质薄片的优异性。c a m i l 拟采用2 0 3 0 个n d ：g g g 或钕玻璃模块，实现数百千瓦平均功率输出。目前端面 泵浦的c a m i l 报道只有l o ok w 的概念设计及理论分析，没有实验结果。 近年来国内多个单位也开展了薄片激光器的研究工作，并采用的是端面泵浦 方式。2 0 0 2 年清华大学李超等人在国内首次获得1 6 w 连续激光( 波长1 0 3 0 t l i n ) 输出的二极管泵浦y b ：y a gt h i nd i s k 激光器装置及数据嘲。该激光器的泵浦方 式采用端面泵浦，由于激光器对光路的变化十分敏感，光路的调节对整个激光器 的效率带来很大的影响。2 0 0 4 年中国科学院上海光学精密机械研究所楼祺洪等 人采用端面泵浦掺杂浓度为1 0 a t 的y b ：y 2 0 。多晶透明陶瓷的方式获得了l o 5 w 的连续激光输出m 1 。2 0 0 5 年中国工程物理研究院应用电子学研究所姚震宇等人 采用四通光学耦合端面泵浦系统，通过提高二极管激光器阵列输出激光强度分布 的均匀性，优化经微柱透镜准直后光束的发散角，实现泵浦光的近平顶分布，采 用两片1 唧厚的n d ：y a g 薄片激光介质，在两个峰值功率2 0 0 0 w ，占空比为1 5 的二极管激光器阵列抽运下获得峰值功率1 4 4 0 w ，平均功率2 1 6 w 的准连续激光 输出，光一光转换效率为3 6 ，光束质量舻因子约为1 2 1 3 ”。 综合分析以上几个实例，我们可以得出端面泵浦的优势及技术限制： 1 端面泵浦的优势：不需要很复杂的泵浦光学系统，传输效率高( 9 0 ) ， 结构简单、紧凑；泵浦面积大，所需的泵浦通量低，既可以将二极管阵列用光纤 耦合输出后泵浦，也可以采用二极管阵列直接泵浦。 2 端面泵浦的技术限制：对于口径厚度比达数百倍的薄片加工存在较大 难度；镀双色性膜难度较大，特别是在高功率泵浦的情况下膜层容易损害。另外， 如果采用后端面泵浦，微通道冷却器材料一方面要求光学透明、强度大、硬度高； 另一方面要满足微通道加工不对泵浦光造成明显散射及冷却器面形精度达到 2 0 的要求，技术难度较大。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 侧面泵浦薄片激光器 当端面泵浦不合适时，侧面泵浦就显得非常有吸引力。侧面泵浦具有很大的 优势，因为其提供了一条长的吸收路径进而可以降低增益介质的掺杂浓度。侧面 泵浦对准三能级增益介质( 如y b ：y a g ) 是十分有利的，它可以降低增益介质的 离子掺杂浓度，因而不需要很高的泵浦功率密度。侧面泵浦同样适用于用波长为 8 8 5 姗的泵浦光泵浦的n 矿系统，因为n d ”离子对8 8 5 n i 泵浦光的吸收系数很小。 正因如此，国内外多家单位都对侧面泵浦的薄片激光器结构展开了研究。 美国波音公司正在研究的侧面泵浦紧凑型有源镜激光器( c o m p a c ta c t i v e m i r r o rl a s e r ，简称c a m i l ) 的泵浦结构。，如图2 4 所示，二极管阵列侧面环 绕增益介质薄片进行泵浦，增益介质薄片通过特殊的制作工艺由中心掺杂介质及 边缘非掺杂介质复合而成。此复合结构的优点在于：1 有利于泵浦光和增益介 质的耦合；2 把热量从薄片边缘带走，进而降低热效应；3 减小a s e 损失。 图2 4 侧面泵浦的c a m i l 模块 在泵浦过程中，靠近二极管阵列的那部分增益介质比远离二极管阵列的那部 分增益介质吸收了更多的泵浦光。由此导致的泵浦非均匀性会引起温度分布不均 匀、增益分布不均匀以及光束质量的降低。为了解决这个问题，c a m i l 利用二极 管的发散角来实现泵浦的均匀性。由于