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固体激光器原理及应用

■自第一台红宝石激光器问i让,固体激光器就-直占据了激光器发展的主导地位,特别是在20世纪80年代出现的半导体激光器以及在此基础上出现的全固化固体激光器更因为体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长等优点,逐渐成为光电行、!k屮最具发展前途的领域。目前世界范li内销倍的商品固体激光器匕有500余种,但从1998年开始,凼体激光器中的Nd:YAG激光器的市场占有率和销售额己升为第一位。

■传统的固体YAG激光器,通常由掺钕钇铝石榴石晶体棒、泵浦灯、聚光腔、光学谐振腔、电源及制冷系统纟_11成,其转换效率为2%到3%。另一方面整个激光器需要庞大的制冷系统,体积很大。泵浦灯的寿命约为300到1000小吋,操作人员需花很多吋间频繁的换灯,中断系统工作,使A动化生产线的效率大大降低,间接提高了生产成木。因此技术上没有大的发展空间。现在圆际上的激光厂家已经淘汰了中小功率灯泵浦同体激光器的生产和研发,将来随着大功率的二极管、光纤激光器的研发和应用,成木的下降,灯泵浦固体激光器将会逐步淘汰。这是固体激光器的发展方向。

三类固体激光器的特性比较特性光纤激光器二极管泵浦困体激光器灯泵浦固体檄光器工作方式连续或咏冲连续成脉冲连续或脉冲辐射波长（纳米＞532.1070,1800-2000532出功率/能禎叫达2KW/jfti41mJrui込2KW/a;i込60mJ^jiASKW/f.100J屯光转换效中高达20%莼达20%低f6%光泶质虽坫校光斑细W校戌名阶投光风较别玷校成衫阶投功率/能足:稳定1.5%3%3%浮却方式风冷风冷或水冷水冷可靠性鉍佳P较好较差绯护周期无耑维护无需维护300小时使W寿命大十10万小时大子1.5万小时大于3百小时系统体积小巧紧凑较小较大光纤传输单模光纤多模光纤多模光纤设备成木较卨较髙较低运行成本较低一般祕]技术逭新新旧

■与传统灯泵浦固体激光器比较，全冋化同体激光器具有以下优点:__■1）转换效率高:由于半导体激光的发射波长与固体激光工作物质的吸收峰相吻合，加之泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从而光光转换效率很高，已达50%以上，光纤达80%，整机效率也可以与二氧化碳激光器扣当，比灯泵固体激光器高出一个量级，因而全hM化固体激光器可省去笨靈的水冷系统，体积小，重量轻，结构紧凑，易于系统集成，性能价格比高。

?2）性能可靠、寿命长:激光二极管的寿命大大长于闪光灯，达15000小时以上，而闪光灯的寿命只有300-1000小时。激光二极管的泵浦能量稳定性好，比闪光灯泵浦优一个数量级，性能可靠，可制成全岡化器件。运行寿命长，成为至今为止唯一无需维护的激光器，尤其适用于大规模生产线。■3）输出光朿质量好:由于二极管泵浦激光的高转换效率，减少了激光T作物质的热透镜效应，大大改善了激光器的输出光束质量，激光光束质量已接近理论极限M2=1。

二、全固化固体激光器结构及特点■全固化固体激光器川_分为两类:二极管泵浦固体激光器和光纤激光器。现将其结构和特点分别叙述如下。

1.二极管泵浦固体激光器■激光二极管泵浦凼体激光器的种类很多,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。而泵浦的耦合方式乂分为直接端而泵浦、光纤耦合端而泵浦和侧面泵浦三种结构。泵浦所用的激光二极管或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h,在晶体棒的泵浦耦合面I:为减少耦合损失而镀有对激光二极管波长的增透膜。同时,该端面也是固体激光器的谐振腔的全反端,因而端面的膜也是输出激光的谐振腔,起振后产生的激光朿由输出镜耦合输出。

二极管直接和光纤耦合端面泵浦固体激光器■与灯泵浦和侧面泵浦两种泵浦方式相对比，端面泵浦的效率最高。其原因为: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丄作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦光的模式也比较好，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式冇密切关系，匹配的效果好，因此，工作物质用泵浦光的利用率也相对高一些。

直接端面泵浦激光器TE制冷器散热器0.81的—极s阵列泵浦辐射Nd:YAG棒q输出！.06TEM.^^7QI对1.06pm苟反射申对0,8]pm有离透射率5cm曲率输出镜时1.06gmi?长的反射率为95%围3-38直接瑞闽杲浦的典甩结构

■然而,端而泵浦虽然效率高,仉岡体激光的输山功率受端面限制,因为端面较小时只