全固态激光器文献阅读报告.doc

一 引言 1960年，美国科学家梅曼用脉冲氙灯, 造成激光晶体不可消除的热透镜效应, 使激光光束质量变差, 而激光二极管避免了激光介质热效应, 泵浦光的能量稳定性好, 改善了光束质量。 （4）性能和寿命。泵浦灯的寿命约为300～1 000小时, 换灯要中断系统工作, 使自动化生产线的效率降低; 而激光二极管性能可靠, 寿命大大长于泵浦灯, 达15 000小时。二极管泵浦固体激光器为全固化器件, 是迄今为止唯一无需维护的激光器, 尤其适合大规模生产线。 三 全固态激光器的泵浦耦合方式 LD泵浦固体激光器的泵浦方式分为端面泵浦和侧面泵浦两种结构，其中，端面泵浦 又分为直接端面泵浦和光纤耦合端面泵浦两种。 （1）端面泵浦，也称为纵向泵浦，其泵浦光进入工作物质的平面，常与激光器输出平面重叠或平行。 a.直接端面泵浦 直接端面泵浦是小功率LD泵浦固体激光常用的一种泵浦方式。如图1所示，LD直接端面泵浦固体激光器系统由泵浦源 LD、光束耦合系统、激光晶体以及输出耦合镜组成。泵浦源 LD 出射的泵浦光，经由会聚光学系统将泵浦光耦合到激光晶体左端面，在晶体的泵浦耦合面上为减少耦合损失而镀有对 LD 发射波长的增透膜。同时，该端面也是固体激光器谐振腔的全反端，因而端面的膜也是输出激光的谐振腔，起振后产生的激光束由输出镜耦合输出。该泵浦方式的优点是：耦合效率高，大多情况下，其光—光转换效率可达 50%以上；其次，较易实现泵浦光在工作物质内的光强分布与谐振腔基模在工作物质内的光强匹配，在不采取任何措施的情况下，能实现基模运转，获得良好的光束质量。 其缺点是：但这种泵浦方式因为仅在小区域内输入泵浦光，光强受到一定的限制。因此，目前该类系统仅能运转在几十瓦的输出水平。 图1 LD直接端面泵浦固体激光器 b.光纤耦合端面泵浦 光纤耦合端面泵浦是用光纤或光纤束将LD的输出光耦合到固体激光材料的一种方式。如图2所示，光纤耦合的端面泵浦激光器由激光二极管、聚焦系统、耦合光纤、工作物质和输出耦合镜组成。与直接端面泵浦不同： ①这种结构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； ②利用光纤的柔韧性，可以将作为泵浦源 LD 和固体激光器实行热隔离，减轻热效应的相互影响，并且固体激光器可以根据需要放置于不同的工作地点而不必移动泵浦光源 ③由于激光二极管或二极管阵列与光纤间的耦合比其与工作物质间的耦合容易，从而降低了对器件调整的要求，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。 图2 LD光纤耦合端面泵浦固体激光器 （2）侧面泵浦 侧面泵浦也称为横向泵浦，其泵浦光进入工作物质的面与激光输出面相互垂直。由于工作物质的侧面长度可以在一定的范围内延伸，泵浦光可以在较长的范围内输入至工作物质中，所以此类激光器输出功率可以在较大范围内变化，即从几瓦至几千瓦，目前高功率二极管泵浦固体激光器属于此类型泵浦方式。如图3所示，侧面泵浦使用阵列半导体激光器从侧面对激光晶体进行泵浦，其散热效果好，泵浦光可采用多个LD阵列，提供较强的泵浦光,适用于高效率的LD泵浦固体激光器。 图 3-3 LD侧面泵浦固体激光器 四 固体激光工作物质 固体激光器的工作物质必须具备以下三个特点： （1）尖锐的荧光谱线； （2）与半导体激光器发射谱线相对应的强吸收带； （3）存在针对所需要的荧光跃迁的相当高的量子效率。 一般来说，掺杂少量元素的晶体或玻璃通常具有上述特性，电子跃迁就发生在这些少量元素内部未填满的壳层之间。目前，在众多的激光晶体中，掺有稀土离子特别是掺Nd3+的激活介质（如Nd:YAG、Nd,Ce:YAG、Nd:GdVO4和Nd:YVO4等）被研究的最多，应用也最为广泛。Nd3+是最早应用于激光器的稀土离子，目前已经在大约100多种基质材料中实现掺杂并获得受激发射，其中最常用、最重要的基质材料是YAG、YVO4、GdVO4以及玻璃材料。激光的产生由可形成反转粒子数的两个能级构成，掺Nd3+的激活介质可获得若干频率不同的受激发射，主要可以实现中心波长为0.9μm、1.06μm和1.34μm的三种跃迁，这些三种主要波长的辐射分别来自4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2跃迁，其中第一种属于准三能级或三能级结构，后两种属于四能级结构。除此以外，固体激光器的工作物质还有Er:YAG、铒玻璃、Tm,Ho:YVO4、Ho,Yb:YVO4、Yb:YAG和以过渡金属离子掺杂的增益材料。 五 非线性频技术 非线性光学频率变换技术是一种扩大高功率激光器应用范围的