半导体泵浦激光原理实验装置

A. 半导体泵浦固体激光器的波长

典型波长：635 nm，650 nm，660 nm，670 nm，690 nm，780 nm，830 nm，860 nm，915 nm，940 nm及1064 nm，1310 nm，1480 nm，808 nm,532 nm. 在工业激光设备中应用最多的波长的半导体激光器是。1064 nm,532 nm,808 nm等波长段的。

B. DPSSL二极管泵浦固体激光器的发展状况

1 端面泵浦（End Pump）固体激光器
端面泵浦方式最大的优点就是容易获得好的光束质量，可以实现高亮度的固体激光器。所以，对端面泵浦的尝试一直也没有停止过。在该系统中，泵浦源采用8W的半导体激光器，输出后经柱状棱镜组整形，将光束发散角压缩并聚焦后输入激光晶体。激光晶体的靠近泵浦源的一端面镀808nm的增透膜和1064nm的高反膜。808nm的增透膜使泵浦源发出的808nm波长的激光进入激光晶体前的损耗降至最低，而1064nm的高反膜与镀有1064nm部分反射膜的输出镜结合起来，形成谐振腔，使1064nm的激光产生振荡放大并输出。该种结构中泵浦光束激活的晶体模体积较小，因而一般用于功率较小的场合，如ACI公司设计此款激光器的目的是用于3W的激光打标机系统中。但端泵的优势在于输出的激光模式较好，便于实现TEM00输出，在某些功率要求不高，需要准直的场合非常实用。如激光测距，电子元器件的标记等方面。 2 侧面泵浦(Side Pump)固态激光器
休斯航天航空实验室的研究人员们侧面泵浦棒状Yb:YAG晶体获得了0.95KW的大功率输出。这是目前利用半导体激光器泵浦单根Yb:YAG所得到的最大的功率输出。侧面泵浦（Side Pump）固态激光器激光头是由三个二极管泵浦模块围成一圈组成泵浦源，每个泵浦模块又由3个带微透镜的二极管线阵组成。每个线阵的输出功率平均为20W输出波长为808nm。该装置采用玻璃管巧妙地设计了泵浦腔和制冷通道。玻璃管的表面大部分镀有808nm的高反膜，剩余的部分呈120°镀有三条808nm增透膜，这样便形成了一个泵浦腔。二极管泵浦源发出的光经过三对光束整形透镜会聚到这三条镀增透膜的狭长区域内，然后透过玻璃管的管壁，被晶体吸收。由于玻璃管大部分区域镀有高反膜，使得泵浦光进入泵浦腔以后，便在其中来回的反射，直至被晶体充分地吸收，而且在晶体的横截面上形成了均匀的增益分布。同时玻璃管
还能用于制冷，高速通过的冷却水将产生的热量迅速带走。晶体采用的是一根复合结构的Nd:YAG棒，有效尺寸为j3*63mm，掺杂浓度为1.5at.%.当泵浦光功率为180W时，得到了72W的激光输出。光光转换效率高达40%。
3 薄片激光器(Thin Disc Pump)
薄片激光器是集端面泵浦与侧面泵浦的优点于一身的一种新型的固体激光器设计方案。由德国航空航天研究院技术物理所的研究人员们首次提出。它的基本概念是用光纤耦合输出的半导体激光器作泵浦源对非常薄的晶体进行端面泵浦，使泵浦光在几百微米的晶体薄片中多次经过，同时使热梯度的分布方向与激光束的传播方向相同。新的泵浦设计中用一个抛物面成像反射镜代替了原来的4个球面成像反射镜，使得泵浦光在晶体中经过的次数由原来的8次增加到16次。采用改进后的泵浦结构，在室温下，用24W的连续激光泵浦，用j3*0.2的Nd:YAG晶体薄片，得到了10W的TEM00连续光输出，光光效率为41.7%。这种薄片激光器具有按比例功率放大的特性，将多个薄片晶体级联在同一个热沉上，可有望得到光束近衍射极限的，高效率的千瓦级全固态固体激光器。这种激光器输出的光学质量介于端面泵浦和侧面泵浦之间，可得到较高的输出功率和较好的光学模式。但是这种激光器的设计和调试较为困难，因而不为大多数的激光公司所采用。
4 光纤激光器
光纤激光器是最近几年由光通讯行业中的光放大器演变而来的。其一推出即引起了业界的震动，其良好的光学质量，较高的输出功率，超长的寿命及无需维护的特点获得了众多公司的瞩目。其严格来说，属于端面泵浦的一种。现代高功率光纤激光器的泵浦源是高功率的多模二极管，通过一个围绕着单模纤心的双包层来实现。
在二十世纪七十年代，以一个单模光纤激光器来替代固体激光器或宽带半导体激光二极管的多模发射输出的想法被首次提出。在简单的双包层光纤结构中，一个轴向的单模玻璃纤心被掺入人们所期望的激光离子，如铷、饵、镒、铥等。核心光纤被一层直径几倍于它的不掺杂的玻璃包层所包围，具有更低的折射率。接下来是内部的泵浦包层，被更外一层不掺杂的玻璃包层所覆盖，同样具有更低折射率。在这种光纤结构中，多模二极管泵浦光通过一个复合光纤的终端面射入泵浦包层，通过光纤结构传播，周期性地穿越掺杂质的单模光纤核心，并在核心光纤中产生粒子数反转。
IPG激光部门（IPG Photonics的分支机构）研制出一种更先进的全加固侧面并行泵浦光纤激光器。它包括一个主动光纤，这种光纤具有可以和其他光学元件或增益级自由熔结的多面体结构，从而使泵浦光可从多点注入包层成为可能。这样，一种简单的光纤输出功率的按比例缩放控制成为可行。其他的侧泵浦技术还有V槽耦合。1996年，具有工业质量的衍射极限10瓦级包层泵浦光纤激光器由IPG Photonics推向市场。Polaroid公司（剑桥，MA）、Spectra Diode实验室（JDS Uniphase）以及Spectra Physics不久也介绍了类似的激光器。
耦合多个100瓦级光纤激光器的输出功率可以很好地提升光纤激光器的输出功率到一个更高的级别。比如说，7个100瓦级光纤激光器输出的光束通过7个单模光纤传送30米以上的距离，然后在一条多芯光纤波束耦合器中被合成，输出一个直径80 μm,发散角小于40 mrad的波束。这相当于一个输出光束参数<1.6 mm mrad 的激光；700瓦的耦合输出功率可以以一束强烈的激光作用在工件上，每平方厘米可达高于50千瓦的功率。比较而言，一个二极管泵浦固态激光器典型的光束参数>10mm mrad,输出功率密度也只有光纤激光器的50分之一。700瓦级的光纤激光器大小为55×60×95cm3 ，重量为120千克。这种形式的激光器能够根据需要的功率，将光纤加长，因而可以达到很高的功率。但其有一个致命的弱点就是单脉冲能量不高，这使得光纤激光器的应用领域受到了一定的限制。世界各国都把如何提高光纤激光器的单脉冲能量作为一个重点的研发课题。
总 结
本文着重从实验装置和原理的角度出发，描述了出现的几种半导体泵浦的固体激光器的核心部件-激光头的技术特点。高功率，高亮度的DPSSL一直是国内外激光领域里的前沿课题。国外千瓦级DPSSL系统已有诸多报道，日本还预计将在2005年实现输出平均功率≥10KW,电光效率≥20%激光头的尺寸≤0.05m3的高功率全固态激光器。国内的DPSSL发展相对落后，我国大功率LD及LD列阵制作工艺的逐步成熟，DPSSL必将有更加蓬勃的发展。

C. 什么是半导体端面泵浦激光

激光是近代科学技术中的重大发明之一。随着半导体激光二极管技术的重大突破，固体激光器得到强劲的发展，其应用领域不断地扩展。其中最为重要的是用半导体激光器和半导体列阵激光器泵浦固体激光器技术的发展，这是一种高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化的第二代新型固体激光器，目前在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗器械，光学图象处理，激光打印机等高科技领域有着独具特色的应用前景。
激光二极管泵浦固体激光器（Diode Pumped Solid state Laser－DPSSL）的种类很多，可以是连续的、脉冲的、调Q的，以及加倍频混频等非线性转换的。工作物质的形状有圆柱和板条状的。而泵浦的耦合方式可分为端面泵浦和侧面泵浦，其中端面泵浦又可分为直接端面泵浦和光纤耦合端面泵浦两种结构。
相对于侧面泵浦方式，端面泵浦的效率较高。这是因为,在泵浦激光模式不太差的情况下，泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式有密切关系，匹配的效果好，因此，工作物质对泵浦光的利用率也相对高一些。
正是由于端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波长匹配的优点近年来在国际上发展极为迅速，已成为激光学科的重点发展方向之一。它在激光打标、激光微加工、激光印刷、激光显示技术、激光医学和科研等领域都有广泛的用途，具有很大的市场潜力。
2.端面泵浦固体激光器的泵浦耦合方式
2.1 直接端面泵浦
如图 1 所示的直接端面泵浦的结构示意图。它包括三个部分: 激光二极管泵浦源(由激光二极管阵列、驱动源和致冷器组成) ,光学耦合系统和激光棒和谐振腔。泵浦所用的激光二极管阵列出射的泵浦光，经由会聚光学系统将泵浦光耦合到晶体棒上，在晶体棒左端面镀有多层介质膜,对泵浦光的相应波长为高透、而对产生的激光束的相应波长为高反,腔的输出镜为镀有多层介质膜的凹面镜。

直接端面泵浦
然而，直接端面泵浦的激光器虽然结构型式紧凑,转换效率高,基模光强分布较好，但固体激光的输出功率受端面限制，因为端面较小时只能采用单元的激光二极管，最多只能相对两只激光二极管泵浦。这就限制了泵浦光的最大功率。如果采用功率较大的激光二极管阵列作泵浦源，则由于阵列型二极管输出的泵浦光模式不好，因而不易将泵浦光有效地耦合到工作物质中，实际上降低了效率。另一方面由于泵浦光的模式较为复杂，泵浦后输出的激光光束质量也不易保证。而且这种结构散热效果差,故一般只适合低功率激光器情况工作。
2.2 光纤耦合端面泵浦
针对直接端面泵浦方式的弱点，人们又进一步发展了光纤耦合的端面泵浦。端面泵浦激光器由激光二极管、两个聚焦系统、耦合光纤、工作物质和输出反射镜组成，如图 2 所示。与直接端面泵浦不同，这种结构首先把激光二极管发射的光束质量很差的激光耦合到光纤中，经过一段光纤传输后，从光纤中出射的光束变成发散角较小的、圆对称的、中间部分光强最大的泵浦光束。用这一输出的泵浦光去泵浦工作物质，由于它和振荡激光在空间上匹配得很好，因此泵浦效率很高。由于激光二极管或二极管阵列与光纤间的耦合较与工作物质的耦合容易，从而降低了对器件调整的要求。而且最重要的是这种耦合方式能使固体激光器输出模式好、效率高的激光束。

图2 光纤耦合端面泵浦
3.高功率端面泵浦固体激光器
3.1 高功率端面泵浦固体激光器存在的问题
在高功率端面泵浦固体激光器中，激光晶体吸收泵浦光而产生的热效应，对于激光器的稳定性、输出功率及效率、光束质量等有着直接影响，这使得端面泵浦设计存在高功率扩展问题。
但是热效应所产生的直接后果--热透镜效应和退偏，在很大程度上可通过优化腔设计加以消除。近年来就发展了很多用于提高输出功率的技术，如两路耦合，高功率泵浦源，多个泵浦源光纤捆匝，多个增益介质的多端面泵浦等等。这些技术相结合促进了端面泵浦固体激光器的发展。
3.2 几种高功率端面泵浦固体激光器的介绍
3.2.1 目前国内的高功率端面泵浦固体激光器
双端泵浦双 Nd∶YVO4 激光器：
在适于激光二极管泵浦的众多激光晶体中, Nd∶YVO4 晶体因在 1064nm 处的受激发射截面大,在 808nm处的吸收系数高,以及吸收谱线宽等参数均优于其它现有的晶体材料,而倍受人们的关注[1]。
为了提高固体激光器的输出功率可以利用多个激光晶体串接的方式。多棒串接实际上是光束相干合成的一种技术方案,其优点是输出功率可与棒数成比例的增加[2], 获得更大的模体积[3,4]和高的光－光转换效率。研究也同时表明,采用平行平面腔结构,整个系统可以得到与棒数成比例的激光输出,且不会降低光束质量,将两根或多根 Nd:YAG 晶体串接起来使用,增加了工作物质的长度,获得了更大的模体积,从而得到了高功率的输出[5]。
双Nd∶YVO4 晶体激光器,将晶体的端面镀膜作为谐振腔的端面镜,构成了平行平面谐振腔。对平行平面谐振腔等效腔进行理论分析后得出激光晶体吸收泵浦光产生的热透镜效应对保持腔的稳定性起到了重要的作用，使得等效腔迅速达到其几何的稳定腔[6]，在发展输出功率为数百瓦至数千瓦量级的高功率固体激光器中,常采用多棒串接的技术方案。
在国内首次进行了双端泵浦双 Nd∶YVO4 激光器的实验研究,在抽运功率为 20.74W 时获得了 11W 的 1064nm TEM00 模激光输出,其光-光转化效率约为 53% 。图 3 为双端泵浦双棒串接 Nd∶YVO4 实验装置图[7]。

图3 双端泵浦双 Nd∶YVO4 激光器
二极管端面泵浦混合腔Nd:YVO4 板条激光器：
近年来关于端面泵浦固体激光器的研究热点之一，是如何有效地对激光晶体进行冷却，降低热效应的影响，从而在得到高功率的激光输出的同时，又保证好的光束质量。在众多的研究工作中，采用了板条或者薄片状的激光晶体，由于对其进行大面积的冷却的方法，取得了令人瞩目的成就。
新型的混合腔板条激光器不但具备板条激光器高效冷却的优点，更具有传统板条激光器所不具备的优势。它利用薄的片状晶体（1mm）来做激光器的增益介质，片状晶体的两个表面都被紧贴在热沉上，结合混合腔，使其输出光束的远场近似为高斯分布，具备很好的光束质量[8]。
目前采用这种新型的板条激光器结构，在国内实现了此类激光器的连续运转，得到了波长为

1064nm 稳定的连续激光输出，当泵浦功率为 60.5W 时，输出功率达到 16.2W 。
该激光器的装置原理图如图 4 所示[9]。
板条激光器谐振腔由一个凹面镜和一个柱面镜组成，其中凹面镜为后腔镜，曲率半径 250mm ，镀有 808nm 的增透膜和 1064nm 的全反膜；柱面镜为前腔镜，并耦合输出激光，曲率半径 150mm ，镀有 1064nm的全反膜，两腔镜如图 4b 所示，放于共焦位置，腔长为 50mm 。[9]
3.2.2 近年来国外的高功率端面泵浦固体激光器
端面泵浦高功率运转固体激光器：
图5 所示的美国加州大学端面泵浦高功率运转固体激光器[10]是美国加州大学和美国Lawrence Livermore国家实验室合作，在1999年，进一步提高光束质量之后，采用 LD 端泵Yb:YAG棒获得 200W 连续波和重复频率 5kHz、195W 调 Q 输出，在光束质量 M2=2.4 时获得183W 调 Q 输出。同时增加了谐振腔设计的灵活性，运用腔内双折射补偿得到偏振光输出，提高了效率，得到光束质量 M2=3.2的112W连续波偏振光输出。[11]

图5 美国加州大学端面泵浦高功率运转固体激光器
二极管列阵端面泵浦Yb:TAG固体激光器：

图6 二极管列阵端面泵浦 Yb:TAG 的实验装置图
图 6 是 LLNL 实验室用二极管列阵端面泵浦 Yb:TAG 的示意图[12]。实验中的泵浦源是由36个带微柱透镜的LD bars构成，每个bar的长度为15mm，采用硅基质的微沟道制冷。泵浦模块分为上下两部分，激光由中间的一个直径为6mm的圆孔通过。半导体列阵发出的泵浦光通过一个耦合透镜，进入晶体。耦合透镜是由熔融石英制成的柱面透镜与中间掏空的锲形铝光传导管组成。在石英透镜的中间开有一个小孔，允许激光顺利通过。铝管内表面呈四棱台状，且镀有薄薄的一层银用来反射泵浦光。该耦合透镜可以将两束 50×15mm2 的泵浦光会聚成 4.6×2.6mm2 的长形光斑，压缩比为63。为了减少装置设计带来的损耗，该实验中的晶体为复合棒结构，即在晶体棒的两端有两个长为 15mm 端帽，端帽中没有掺杂激活离子，端帽的一端为与泵浦光的形状相匹配的矩形，一端为与晶体棒相粘接的圆形。此外，晶体四周被抛光，且晶体棒中心处的直径为2mm ，长为50mm，由中心向两端，直径逐渐增加，与两个端帽衔接处的直径为2.2mm。此设计可以有效地减少由于抛光所引起的放大的自发辐射损耗以及寄生振荡损耗。当采用了可以进行热致双折射补偿的双棒泵浦腔结构之后，便获得了1080W 的基频输出,光光效率为27.5% ，电光效率为 12.3%。
4.国内外高功率端面泵浦固体激光器的应用
在应用上，端面泵浦固体激光器以材料加工为主，包括了常规的激光加工：主要是材料加工，如激光标记、激光焊接、激光切割和打孔等。结构紧凑、性能良好、工作可靠的端面泵浦固体激光打标机产品系列已经在国内得到了规模应用，激光微加工、激光精密加工也都有广泛推广的趋势。在国外，千瓦级的二极管端面泵浦固体激光器已有产品，目前主要受限于成本和市场需求的限制。
除材料加工外，大功率二极管端面泵浦固体激光器还可以用于激光核聚变、科学研究、医疗、检测、分析、通讯、投影显示以及军事国防等领域，因而具有极其重要的应用价值。
5.结束语
我国在低功率端面泵浦固体激光器(< 200mw)技术比较成熟，产业化(光通讯应用较多)也蓬勃发展。但是目前国外端面泵浦固体激光器市场化水平已经达到数百瓦，实验室水平已经达到千瓦级。而国内的大功率端面泵浦固体激光器发展一直具有局限性，应该积极进行这方面的研究,如果能实现产业化的发展,则必将带来巨大的经济效益和社会效益。

D. 半导体泵浦固体激光器的应用

半导体泵浦固体激光器的发展与半导体激光器的发展是密不可分的。1962年，第一只同质结砷化镓半导体激光器问世，1963年，美国人纽曼就首次提出了用半导体做为固体激光器的泵浦源的构想。但在早期，由于二极管的各项性能还很差，作为固体激光器的泵浦源还显得不成熟。直到1978年量子阱半导体激光器概念的提出，以及八十年代初期MOCVD 技术的使用及应变量子阱激光器的出现，使得半导体泵浦固体激光器的发展步上了一个崭新的台阶。在进入九十年代以来，大功率的半导体泵浦固体激光器及半导体泵浦固体激光器列阵技术也逐步成熟，从而，大大促进了半导体泵浦固体激光器的研究。
国内半导体泵浦固体激光器市场化水平已经达到数百瓦，实验室水平已经达到千瓦级。在应用上，大功率半导体泵浦固体激光器以材料加工为主，包括了常规的激光加工：主要是材料加工，如激光标记、激光焊接、激光切割和打孔等，结构紧凑、性能良好、工作可靠的大功率半导体泵浦固体激光打标机产品系列已经在国内得到了规模应用，在国外，千瓦级的半导体泵浦固体激光器已有产品，德国、美国汽车焊接就已经用到了千瓦级半导体泵浦固体激光焊剂机，在原理和技术方案上半导体泵浦固体激光器定标到万瓦都是可行的，主要受限于成本和市场需求的限制。二倍频半导体泵浦固体激光器在微电子行业、三倍频半导体泵浦固体激光器在激光快速成型领域都得到了广泛应用。
除材料加工外，大功率半导体泵浦固体激光器还可以用于同位素分离（二倍频、绿光）、激光核聚变、科学研究、医疗、检测、分析、通讯、投影显示以及军事国防等领域，具有极其重要的应用价值。

E. 半导体激光器和半导体泵浦激光器有什么区别 激光中的泵浦又是什么意思 求解

半导体激光器是用半导体材料做工作物质（即发光物质）的激光器。所谓泵浦，是所有激光器工作的必要条件，不论神马激光器都需要有一个泵浦，泵浦的作用是让激光器中的工作物质形成粒子布局数反转（这是形成激光的条件）。半导体泵浦激光器是把半导体激光器本身作为泵浦来用的激光器。半导体泵浦固体激光器当然就是把半导体激光器当作其他固体激光器的泵浦来用的了。这是我能做的最简单的解释了·····

F. 半导体泵浦固态激光器实验为什么要晃动输出镜才能找到光斑

应该是折返镜片吧，模块输出的激光到折返镜片上和反射回来的光束不在同一水平直线上。

G. 什么是半导体泵浦激光器中的光谱匹配和模式匹配

光谱匹配那应该是用于半导体激光器泵浦的固体激光器而言，例如说用808nm泵浦1046的激光，假如光谱有偏差那么泵浦出来的光就有可能不是1046的光了，

H. 激光泵浦工作原理

能量被吸收在介质中，在原子中产生激发态。 当一个激发态的粒子数超过基态或较少激发态的粒子数时，就可实现种群反演。 在这种情况下，可以发生受激发射的机制，并且介质可以用作激光或光放大器。

泵浦功率必须高于激光器的激光阈值。泵能通常以光或电流的形式提供，但是已经使用更多的外来来源，例如化学或核反应。

(8)半导体泵浦激光原理实验装置扩展阅读

激光的产生条件：

1、增益介质：激光的产生必须选择合适的工作物质，可以是气体、液体、固体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。

显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。但从激光器输出的激光性能来考虑，对使用的工作物质是有一定的要求的，基本要求是

（1）光学性质均匀，光学透明性良好，且行性能稳定；

（2）有能级寿命比较长的能级（称为亚稳态能级）;

（3）有比较高的量子效率。

2、泵浦源：为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。

各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。

3、谐振腔：有了合适的工作物质和泵浦源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。

所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。

被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。

I. 什么是半导体泵浦固体激光器中的光谱匹配和模式匹配

光谱匹配指泵浦光光谱与激光介质吸收谱吻合，比如掺钕介质吸收峰在808nm附近。
模式匹配是指泵浦光斑整形后尺寸与激光谐振腔基模振荡光斑尺寸接近。

J. 半导体泵浦固体激光器的简介

该类型的激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，从而取得了崭新的发展，被称为第二代的激光器。这是一种高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化的第二代新型固体激光器，已在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗器械，光学图象处理，激光打印机等高科技领域有着独具特色的应用前景。