棒状激光器

固体激光器结构

棒状激光器是发展最成熟、应用最广泛的固体激光器结构，其特点是增益介质呈圆棒状，工作时振荡/放大激光沿介质轴向行进。

1背景介绍

半导体泵浦全固态激光器的发展和现状 1958 年末肖洛(A.L.Schawlow)与汤斯(C.H.Towns)合作提出红外和光学激射器的设计理念，同年相似的建议也由前苏联的普洛霍罗夫(Prokhorov)和巴索夫(Basov)提出。这些为 1960 年激光器的产生打下了坚实的物理基础。

在 1964 年，美国 MIT 林肯实验室的 Keyes 和 Qusit展示了世界上第一台激光二极管泵浦的固体激光器，这台激光器以GaAs 二极管为泵浦源，工作物质是 CaF2U输出波长是 2.613μm。由于当时的 LD 必须要冷却才能获得激光输出，因此整个装置在液氮中冷却至 4K。Keyes 和 Qusit 认识到 LD 泵浦方式相对闪光灯泵浦的优点，指出 GaAs 二极管是 Nd激光器的理想泵浦源，这种泵浦方式应该比闪光灯泵浦效率更高。

20 世纪 70 年代，由于半导体工艺仍没有突破，激光二极管泵浦源的低功率和低转换效率阻碍了全固态激光器的进步。1971 年，Ostermayer等人首次实现了能够在室温条件下运转的激光二极管泵浦 Nd:YAG 激光器，为全固态激光器的发展带来了曙光。1976 年，Iwamoto利用 super luminescent diodes Nd:YAG,真正实现了能够在室温下连续运转的全固态激光器。在此期间由于当时LD 的输出功率很低，与侧面泵浦方式相比，采用端面泵浦方式吸收长度大，因此可以获得较高的斜效率，因此端面泵浦获得较大发展。

20 世纪 80 年代，在此期间半导体物理研究有了新的成果，对半导体激光器的发展产生了极大的促进。半导体激光器采用量子阱（QW），应变量子阱（SLQW）技术和新的晶体生长工艺包括：分子束外延(MBE)、有机金属化合物气相外延(MOCVD)等，明显降低二极管激光器的阈值电流、提高其效率和功率，改善其冷却结构。科研人员敏锐发现 DPL 在工业应用上具备广阔前景，针对不同的用途 DPL 应该具有更多的激光发射波长和更多的运转方式。例如：高功率连续激光器需要吸收系数大且吸收带较宽，以便充分利用泵浦光提升输出功率。因此很多新兴激光介质以及原来没有采用LD泵浦方式的激光介质被应用到全固态激光器试验中。

20 世纪 90 年代至今，伴随高功率二极管激光器技术的进一步成熟，大功率泵浦源的价格已经降到可以接受的水平，全固态激光器获得飞速的发展。全固态激光器按其工作介质形态大致分为四类：光纤激光器（Fiber laser）、薄片激光器（Thin disk laser）、板条激光器（Slap laser）、棒状激光器（Rod laser）。 1995 年，德国汉诺威激光中心的 Golla 采用 108 只输出功率为 10W 的二极管激光器从 9 个方向泵浦 Nd:YAG 棒，每只激光二极管前都安装了 υ3mm 准直透镜，将二极管泵浦光耦合进聚光腔。通过精确的温度调节，使二极管的输出波长控制在 808nm，与 Nd:YAG 晶体的吸收峰相吻合。

1999年，德国Christian Stewen等人研制了输出功率为1070W，光－光转换效率为48%的薄片激光器。工作物质为厚度200μm、直径5mm的Yb:YAG薄片。由于薄片太薄，采用16通泵浦耦合系统来提高泵浦光吸收效率。 2000 年美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL) 的 R.J.Beach 等提出利用透镜导光锥(LensDuct)端面抽运三明治 Yb:YAG 晶体棒获得千瓦级输出的新型结构，堪称端面抽运领域的经典之作。该系统的工作物质由 2 根直径为 2mm、长 50mm 的 Yb:YAG 棒串联而成。Yb:YAG 棒的两端各有一段非掺杂的 YAG 晶体，其作用为：1、使 Yb:YAG 更好的散热，从而防止 Yb:YAG 端面变形，消除端面破裂的危险；2、使膜层与 Yb:YAG 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 82%的空心透镜导管导入到 Yb:YAG 棒内。

2003 年日本采用6个激光头串接定标放大，获得了12kW 的1064nm 激光输出。石英管外表面未抽运的区域镀有高反膜，以增加其反射吸收。二极管阵列发出的泵浦光从 3 个不同方向进入到 Nd:YAG 圆棒中。

2004年英国Y. Jeong 等利用两个半导体激光器叠阵通过透镜耦合双端面抽运芯径为40μm，内包层为600μm的双包层光纤获得1.01kW，波长为1090nm，光束质量因子M2=3的光纤激光输出，并于同年年底研制成功1.36 kW连续光纤激光器。

2004年，中科院研制了双棒串接的二极管泵浦Nd:YAG激光器，输出功率达1.15kW。5个相同的二极管阵列均匀地排列在Nd:YAG棒周围，进行泵浦，以实现泵浦均匀性。采用双棒串接时，在两根棒之间插入90℃石英旋光片以改善光束质量。2006年4月中科院半导体所采用自行研制的高功率激光头，通过双棒串接获得超过3 kW的全固态激光输出。同年十月获得3.8KW激光输出。

2005年美国H. Bruesselbach等报道单根Yb:YAG激光棒输出2.65 kW的实验结果。实验所采用的Yb:YAG棒为一复合结构，其中掺杂浓度为0.6 at.%的部分直径为4mm，长80mm，两端各有一段直径6mm，长24mm的非掺杂YAG晶体。

2007年6月中科院半导体所采用三棒串接方式，获得6 kW高功率全固态激光输出，光光转换效率过50%。 2008年美国的IPG公司已可提供单模3 kW，多模50kW的光纤激光器产品。

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、半导体所、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。但是国产的半导体泵浦高功率激光器在工业应用上还不是十分广泛。

2棒状激光器

棒状激光器是发展最成熟、应用最广泛的固体激光器结构，其特点是增益介质呈圆棒状，工作时振荡/放大激光沿介质轴向行进。2003年日本采用6个激光头串接定标放大，在注入电功率为52.5 kW时，获得了12 kW 的1064nm激光输出，电光转换效率为23%。

国内研究高功率棒状激光器的单位主要集中在中科院物理所、中科院福建物构所、华北光电所、华中科技大学、中科院半导体所等单位。2006 年11月中科院半导体所采用三棒串接方式，获得6 kW 高功率全固态激光输出，光光转换效率超过50%，目前输出功率已超过7.6 kW。

半导体泵浦棒状激光器

从目前半导体泵浦棒状固体激光器的发展来看，依照其泵浦方式的不同可以分为两类：端面泵浦棒状激光器和侧面泵浦棒状激光器。其各自具备不同的特点。

半导体端面泵浦棒状激光器

端面泵浦又称纵向泵浦，是指抽运光从晶体棒的端面入射，激光沿晶体棒长度方向振荡的抽运方式。在端面泵浦方式中，半导体阵列发出的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，可以把尽可能多的泵浦光有效地耦合到基模 TEM00模体积中。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。

目前端面抽运已获得光光转换效率大于 76%的单横模激光输出。但是，由于工作物质端面面积有限，很难输入大的泵浦功率，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。目前端面泵浦多见于百瓦级激光器。由上述可知，端面泵浦一般应用于中小功率的二极管泵浦固体激光器。

侧面泵浦棒状激光器

侧面泵浦方式就是让半导体阵列发出的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，半导体阵列沿激光晶体轴向方向排列，半导体阵列发出的泵浦光的入射方向与产生的激光振荡方向垂直。

3 棒状激光器新型泵浦组件

对于棒状激光工作物质，侧面泵浦方式更易获得高功率，连续激光输出。在侧面泵浦方式中。泵浦光吸收分布是否均匀，对提高激光器的输出功率和光光转换效率有极为重要的影响。

棒状激光器侧面泵浦结构中常采用反射腔、柱透镜。为优化泵浦结构，本文提出一种新型泵浦组件。新型泵浦组件为管状（已申请国家发明专利，申请号 201110147755.0）有 n（n 为奇数）个沟槽，沟槽底部为弧形，具有一定曲率半径。在沟槽底部镀有 808nm 增透膜，在外表面两沟槽之间镀有 808nm 高反膜。

玻璃管外面开出沟槽，沟槽底部为具有一定曲率半径的弧形，与玻璃管内壁形成凹透镜结构，对泵浦光进行发散。对应沟槽底部的曲率半径不同，从而构造出发散能力不同的凹透镜结构。根据环绕激光棒空间分布半导体阵列数量的不同，所开沟槽数目可变。本实验采用的为经过快轴准直的半导体阵列。半导体阵列发出的泵浦光，快轴方向可以近似认为是平行光。根据厂家提供商导体阵列性能可知，经准直光束在快轴方向 0.6mm 范围内，包含了泵浦光全部能量。则近似认为泵浦光束为厚度为 0.6mm 的平行光。在同时考虑玻璃管材质，玻璃管厚度，冷却水层厚度，和激光棒尺寸，使用 ZEMAX 软件对泵浦光在激光棒内分布进行模拟。经 ZEMAX 模拟可以获得泵浦光经过新型玻璃管在激光棒上形成的几何分布。从而得出符合设计要求的泵浦组件参数。

经过 ZEMAX 模拟可得，对直径 7mm 棒沟槽底部曲率半径为 0.7mm；对于直径 8mm 棒，沟槽底部曲率半径为 0.65mm，管壁厚度为 3.5mm。

棒状激光介质热效应的理论分析

在半导体泵浦棒状激光器中，由于泵浦光能量未能全部转换成激光输出，在棒状激光工作介质中会产生较多的损耗热，其产生的主要原因有：

(1) 泵浦带与激光上能级之间的光子能量差以热的形式散逸到激光晶体基质中，造成量子亏损发热。

(2) 激光下能级与基态能级之间的能量差转换为耗散热。

(3) 因为激光跃迁过程中的荧光量子效率小于 1，所以除了产生激光外，其余能量产生热。

棒状工作介质温度分布

对于采用侧面泵浦方式的棒状激光器，激光棒是浸没在冷却液中。激光棒所产生的热通过棒表面流过的冷却液进行冷却。简化分析，可假设激光棒内部发热均匀，激光棒光学无限长，表面均匀冷却。这种情况下热流仅在径向，轴向上冷却液温度的端面效应和小的变化可以忽略。

棒状工作介质光弹效应和热应力双折射

通过前两个小节的分析可以看出，Nd:YAG 激光工作物质中的温度分布的不均匀会产生热应力，进一步会通过光弹效应使折射率发生变化，使原来的各向同性材料变为各向异性，即产生热应力双折射。

由于 Nd:YAG 单晶激光晶体是立方晶体，所以其光率体是一个圆球，但是它在热应力的作用下变为椭球。考虑常用的 Nd:YAG 单晶多用[1 1 1]方向，此时Nd:YAG 棒的圆柱轴呈[1 1 1]方向，晶体沿着此方向生长，激光也沿着此方向传播，因此分析主要考虑[1 1 1]方向的折射率变化。

棒状工作介质热焦距测量方法

对大功率棒状固态激光器而言，热透镜效应对激光器性能有较大影响。同时在固体激光器热稳腔的设计中，也需要知道激光棒的热透镜焦距值。所以，要获得激光棒的热透镜焦距值。通常测量热透镜焦距的方法有探测光束法、相干测量法、横模拍频法，利用光斑半径、发散角和热焦距关系式间接测量等测量方法。本文采用一种简单的测量连续大功率激光器热透镜焦距的方法。在大功率激光输出时，利用谐振腔的临界稳定条件计算有效热透镜的焦距。平行平面谐振腔的临界稳定点是对工作介质的热透镜敏感函数。可以通过激光器的输出功率测量，记录由于有效热焦距使谐振腔通过特殊临界稳定的点，就能获得有效地热焦距值。

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