固体激光器基础道理以及使用

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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世,固体激光器就一 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,逐渐成为光电行业中最具发展前途的 领域。目前世界范围内销售的商品固体激光器 已有500 余种,但从1998 年开始,固体激光器 中的Nd:YAG 激光器的市场占有率和销售额已 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、 电源及制冷系统组成,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 小时, 操作人员需花很多时间频繁的换灯,中断系统 工作,使自动化生产线的效率大大降低,间接 提高了生产成本。因此技术上没有大的发展空 间。现在国际上的激光厂家已经淘汰了中小功 率灯泵浦固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, 成本的下降,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。 一、三类固体激光器的特性比较 特性 工作方式 辐射波长(纳米) 光纤激光器 连续或脉冲 532, 1070, 1800-2000 高达2KW/高达1mJ 二极管泵浦固体激光器 灯泵浦固体激光器 连续或脉冲 532, 1060 高达2KW/高达60mJ 连续或脉冲 1060 高达5KW/高100J 输出功率/能量 电光转换效率 光束质量 功率/能量稳定 性 冷却方式 可靠性 维护周期 使用寿命 系统体积 光纤传输 高达20% 基模 光斑细 高达20% 基模或多阶模光斑较细 低于6% 基模或多阶模 光斑粗 1.5% 3% 3% 风冷 最佳 无需维护 大于10 万小时 小巧紧凑 单模光纤 风冷或水冷 较好 无需维护 大于1.5 万小时 较小 多模光纤 水冷 较差 300 小时 大于3百小时 较大 多模光纤 设备成本 运行成本 技术 较高 较低 最新 较高 一般 新 较低 较高 旧 ? ? 与传统灯泵浦固体激光器比较,全固化固体激 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相当, 比灯泵固体激光器高出一个量级,因而全固化 固体激光器可省去笨重的水冷系统,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,可制成全固化器件。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) 输出光束质量好:由于二极管泵浦激光的高 转换效率,减少了激光工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 ? 全固化固体激光器可分为两类: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 ? 激光二极管泵浦固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。而泵浦的耦合方式又分为直接端面泵 浦、光纤耦合端面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 晶体棒上,在晶体棒的泵浦耦合面上为减少耦 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 产生的激光束由输出镜耦合输出。 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 统耦合到工作物质中,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有密切关系,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 ? 然而,端面泵浦虽然效率高,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,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。而且由于泵浦光 的模式较为复杂,泵浦后输出的1.06μm 激光 的光束质量也不易保证。 ? 针对这一弱点,人们又进一步发展了光纤耦合 的端面泵浦和侧面泵浦方式。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。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。 光纤耦合端面泵浦激光器 ? 侧面泵浦板条固体激光器要得到更大功率的激光输出, 就必然要采用泵浦功率较大的阵列型激光二极管,由 于阵列二极管的发光面较大,不可能利用端面泵浦, 因此,大多采用侧泵浦方式。这种结构的特点是,在 工作板条的一侧用激光二极管阵列,另一侧是全反器, 使泵浦光尽量集中到工作物质中。板条状激光器结构 的特点是,激光通过工作物质介质全内反射传输,这 样,激光经过工作物质的长度就大于工作物质的外形 长度,即提供了更长的有效长度。在有效长度内,工 作物质皆可直接吸收到由激光二极管发射的泵浦光, 从而较易获得大功率输出,研究开发的重点就在于发 展大功率的端面泵浦固体激光器,从激光二极管发出 的光束经光学耦合从侧面泵浦激光晶体,从而获得单 级输出的激光;并可以根据所要得到的输出功率要求 而改变激光工作物质的长度而改变激光二极管泵浦的 效率和功率。 二极管侧面泵浦固体激光器 ? 半导体激光二极管的基本结构为:垂直 于PN结面的一对平行平面构成法布里— —珀罗谐振腔,它们可以是半导体晶体 的解理面,也可以是经过抛光的平面。 其余两侧面则相对粗糙,用以消除主方 向外其它方向的激光作用。 半导体激光二极管的基本结构 我公司生产二极管激光器原理 2.光纤激光器 ? 以稀土元素为例,将其离子掺杂于以SiO2为基质的光 纤芯子中,光纤就被“激活”,变成有源介质,称有 源光纤(Active fiber)。当以适当的波长泵浦时,就会在 确定的波长上产生激光和激光放大。例如,许多稀土 离子,如元素Er,Nd,Sm,Ho,Tm和Yb等都可作为 掺杂物制成光纤,并做成掺杂光纤放大器(XDFA)和光 纤激光器(XDFL),它们能工作在从可见到中红外的波 长范围。其中以掺Er石英光纤最有意义,因为它的激 光波长恰好处于光纤通信最佳“窗口”。这种EDFA和 EDFL在促进现代光纤通信等高技术的迅速发展中发挥 了重大的作用。一种低掺Er、因而也是低增益光纤, 特别是低掺Er的DDF是用于孤子传输、压缩和光参量 技术的理想波导,因为它既具有较大的非线性又有可 能恰当地匹配损耗和色散,有人称之为透明光纤。一 种借元素Yb起敏化作用的Er、Yb双掺光纤可以把泵浦 波长下移到800~1060nm。近年来,人们还选择不同 的掺杂质与掺杂量以及不同的基质材料,以获得更大 范围应用和更高功率输出的激光,并且已经获得了一 系列可喜的进展。 ? 光纤激光器属光波导激光器,以掺稀土元 素(Nd,Yb或Er)的光纤为工作物质, 并用二极管激光作为泵浦源。可脉冲和 连续运转,其性能已明显优于二极管泵 浦固体激光器,不仅在光纤通讯领域得 到广泛应用,而且由于大功率光纤激光 器的成功开发,正向激光打标、焊接、 切割等工业激光应用领域迅速发展。 谐振腔 ? 制备合适的光学谐振腔是高功率光纤激 光器实用化的又一项关键技术。采用光 纤光栅做谐振腔,光纤光栅是透过紫外 诱导在光纤纤芯形成折射率周期性变化 的低损耗器件,具有非常好的波长选择特 性。光纤光栅的采用,简化了激光器的 结构窄化了线宽,同时提高了激光器的 信噪比和可靠性,进而提高了光束质量。 ? 光纤激光器基本结构和固体激光器的结 构基本相同,由泵浦源(激光二极管和 必要的光学耦合系统)、增益介质(掺 稀土元素的增益光纤)、谐振腔(可为 反射镜、光纤光栅或光纤环)等组成。 按泵浦光的入射方式,光纤激光器可分 为:端面泵浦光纤激光器、双包层光纤 激光器和任意形状光纤激光器。 1)端面泵浦光纤激光器 ? 端面泵浦光纤激光器中的光纤与普通光纤十分 相似,仅在纤芯掺以激光工作物质。与二极管 端面泵浦固体激光器的泵浦方式相似,采用光 学耦合系统将泵浦光直接耦合到光纤的纤芯端 面上。通常情况下,两端面也是激光谐振腔的 全反镜和输出镜。可以看出,这种结构简单, 但其泵浦端面因面积很小,可以注入的泵浦光 能量有限,故该类激光器属小功率光纤激光器, 它们大多应用于光通讯中。 端面泵浦光纤激光器 2)双包层光纤激光器 ? 为了克服端面泵浦光纤激光器注入功率小的问 题,人们发明了双包层光纤激光器。它主要由 纤芯、内包层、外包层和保护层组成。纤芯采 用了稀土掺杂技术,为激光增益介质,稀土离 子吸收泵浦光并辐射单模激光,外包层采用低 折射率材料。通常情况下,泵浦光采用斜入射 方式,使泵浦光在内外包层界面形成全反射, 这样,泵浦光在多次反射后,多次穿过内包层 和纤芯,使纤芯吸收率大大增加,可达90%以 上。这种泵浦方式与二极管泵浦固体激光器的 侧面泵浦方式很相似,注入功率可以大大增加, 又提高了泵浦光的利用率。这类光纤激光器的 输出功率在百瓦量级。 双包层光纤激光器 保护层 外包层 内包层 纤芯 外包层 图3-2d D 形内图包层双包层光纤横剖面 内包层 纤芯 外界入射短波光作用纤芯,形成永久性折射率光栅,如 同窄带滤光器或反射镜,起到选频.反馈和输出的作用。 掺稀土离子光纤 LD LD LD LD LD LD 激 光 输 出 光 栅1 LD LD LD LD LD LD 光 栅 2 3)任意形状光纤激光器 ? 为了克服双包层光纤激光器输出功率受 到限制,进一步提高输出功率,日本学 者率先开发出了一种任意形状光纤激光 器,有望获得千瓦量级的光纤激光器。 其方案是将光纤排放成盘状结构,大大 增加了泵浦光的利用面积,其有效利用 面积比纤芯端面和包层端面大得多。根 据光纤的排放方式不同,这类光纤激光 器又可分为盘状、片状、圆柱状、环状 和棒状等不同结构的光纤激光器。 光纤激光器作为第三代激光技术的代 表,具有以下优势: ? (1)玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光 纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势; (2)玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那 样的严格的相位匹配,这是由于玻璃基质 Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽 的缘故; (3)玻璃材料具有极低的体积面积比,散热 快、损耗低,所以上转换效率较高,激光阈值 低; (4)输出激光波长多:这是因为稀土离子能 级非常丰富及其稀土离子种类之多; (5)可调谐性:由于稀土离子能级宽和玻璃 光纤的荧光谱较宽。 (6)由于光纤激光器的諧振腔内无光学鏡片,具有免 调节、免维护、高稳定性的优点,这是传统激光器无 法 比 拟 的 。 (7)光纤导出,使得激光器能轻易胜任各种多维任意 空间加工应用,使机械系统的设计变得非常简 单。 (8)胜任恶劣的工作环境,对灰尘、震荡、冲击、湿 度 、 温 度 具 有 很 高 的 容 忍 度 。 (9)不需热电制冷和水冷,只需简单的风冷。 (10)高的电光效率:综合电光效率高达 20% 以上, 大幅度节约工作时的耗电,节约运行成本。 (11)高功率,目前商用化的光纤激光器是六千瓦。