雷射是近代科學技術中的重大發明之一。隨著半導體雷射二極體技術的重大突破，固體雷射器得到強勁的發展，其套用領域不斷地擴展。其中最為重要的是用半導體雷射器和半導體列陣雷射器泵浦固體雷射器技術的發展，這是一種高效率、長壽命、光束質量高、穩定性好、結構緊湊小型化的第二代新型固體雷射器，目前在空間通訊，光纖通信，大氣研究，環境科學，醫療器械，光學圖象處理，雷射印表機等高科技領域有著獨具特色的套用前景。
基本介紹
- 中文名：半導體端面泵浦雷射
- 地位：重大發明之一
- 類型：雷射
- 特點：高效率、長壽命
簡介,泵浦耦合方式,內容,國內外高功率端面泵浦固體雷射器的套用,結束語,
簡介
雷射二極體泵浦固體雷射器（Diode Pumped Solid state Laser－DPSSL）的種類很多，可以是連續的、脈衝的、調Q的，以及加倍頻混頻等非線性轉換的。工作物質的形狀有圓柱和板條狀的。而泵浦的耦合方式可分為端面泵浦和側面泵浦，其中端面泵浦又可分為直接端面泵浦和光纖耦合端面泵浦兩種結構。
相對於側面泵浦方式，端面泵浦的效率較高。這是因為,在泵浦雷射模式不太差的情況下，泵浦光都能由會聚光學系統耦合到工作物質中，耦合損失較少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而產生的振盪光的模式與泵浦光模式有密切關係，匹配的效果好，因此，工作物質對泵浦光的利用率也相對高一些。
正是由於端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波長匹配的優點近年來在國際上發展極為迅速它在雷射打標、雷射微加工、雷射印刷、雷射顯示技術、雷射醫學和科研等領域都有廣泛的用途，具有很大的市場潛力。
泵浦耦合方式
1 .直接端面泵浦
如圖 1 所示的直接端面泵浦的結構示意圖。它包括三個部分: 雷射二極體泵浦源(由雷射二極體陣列、驅動源和致冷器組成) ,光學耦合系統和雷射棒和諧振腔。泵浦所用的雷射二極體陣列出射的泵浦光，經由會聚光學系統將泵浦光耦合到晶體棒上，在晶體棒左端面鍍有多層介質膜,對泵浦光的相應波長為高透、而對產生的雷射束的相應波長為高反,腔的輸出鏡為鍍有多層介質膜的凹面鏡。
2.光纖耦合端面泵浦
針對直接端面泵浦方式的弱點，人們又進一步發展了光纖耦合的端面泵浦。端面泵浦雷射器由雷射二極體、兩個聚焦系統、耦合光纖、工作物質和輸出反射鏡組成，如圖 2 所示。與直接端面泵浦不同，這種結構首先把雷射二極體發射的光束質量很差的雷射耦合到光纖中，經過一段光纖傳輸後，從光纖中出射的光束變成發散角較小的、圓對稱的、中間部分光強最大的泵浦光束。用這一輸出的泵浦光去泵浦工作物質，由於它和振盪雷射在空間上匹配得很好，因此泵浦效率很高。由於雷射二極體或二極體陣列與光纖間的耦合較與工作物質的耦合容易，從而降低了對器件調整的要求。而且最重要的是這種耦合方式能使固體雷射器輸出模式好、效率高的雷射束。
內容
1 .高功率端面泵浦固體雷射器存在的問題
在高功率端面泵浦固體雷射器中，雷射晶體吸收泵浦光而產生的熱效應，對於雷射器的穩定性、輸出功率及效率、光束質量等有著直接影響，這使得端面泵浦設計存在高功率擴展問題。
但是熱效應所產生的直接後果--熱透鏡效應和退偏，在很大程度上可通過最佳化腔設計加以消除。近年來就發展了很多用於提高輸出功率的技術，如兩路耦合，高功率泵浦源，多個泵浦源光纖捆匝，多個增益介質的多端面泵浦等等。這些技術相結合促進了端面泵浦固體雷射器的發展。
2 .幾種高功率端面泵浦固體雷射器的介紹
①目前國內的高功率端面泵浦固體雷射器
雙端泵浦雙 Nd∶YVO4 雷射器：
在適於雷射二極體泵浦的眾多雷射晶體中, Nd∶YVO4 晶體因在 1064nm 處的受激發射截面大,在 808nm處的吸收係數高,以及吸收譜線寬等參數均優於其它現有的晶體材料,而倍受人們的關注[1]。
為了提高固體雷射器的輸出功率可以利用多個雷射晶體串接的方式。多棒串接實際上是光束相干合成的一種技術方案,其優點是輸出功率可與棒數成比例的增加[2], 獲得更大的模體積[3,4]和高的光－光轉換效率。研究也同時表明,採用平行平面腔結構,整個系統可以得到與棒數成比例的雷射輸出,且不會降低光束質量,將兩根或多根 Nd:YAG 晶體串接起來使用,增加了工作物質的長度,獲得了更大的模體積,從而得到了高功率的輸出[5]。
雙Nd∶YVO4 晶體雷射器,將晶體的端面鍍膜作為諧振腔的端面鏡,構成了平行平面諧振腔。對平行平面諧振腔等效腔進行理論分析後得出雷射晶體吸收泵浦光產生的熱透鏡效應對保持腔的穩定性起到了重要的作用，使得等效腔迅速達到其幾何的穩定腔[6]，在發展輸出功率為數百瓦至數千瓦量級的高功率固體雷射器中,常採用多棒串接的技術方案。
在國內首次進行了雙端泵浦雙 Nd∶YVO4 雷射器的實驗研究,在抽運功率為 20.74W 時獲得了 11W 的 1064nm TEM00 模雷射輸出,其光-光轉化效率約為 53% 。
二極體端面泵浦混合腔Nd:YVO4 板條雷射器：
近年來關於端面泵浦固體雷射器的研究熱點之一，是如何有效地對雷射晶體進行冷卻，降低熱效應的影響，從而在得到高功率的雷射輸出的同時，又保證好的光束質量。在眾多的研究工作中，採用了板條或者薄片狀的雷射晶體，由於對其進行大面積的冷卻的方法，取得了令人矚目的成就。
新型的混合腔板條雷射器不但具備板條雷射器高效冷卻的優點，更具有傳統板條雷射器所不具備的優勢。它利用薄的片狀晶體（1mm）來做雷射器的增益介質，片狀晶體的兩個表面都被緊貼在熱沉上，結合混合腔，使其輸出光束的遠場近似為高斯分布，具備很好的光束質量[8]。
目前採用這種新型的板條雷射器結構，在國內實現了此類雷射器的連續運轉，得到了波長為
1064nm 穩定的連續雷射輸出，當泵浦功率為 60.5W 時，輸出功率達到 16.2W 。
該雷射器的裝置原理圖如圖 4 所示[9]。
板條雷射器諧振腔由一個凹面鏡和一個柱面鏡組成，其中凹面鏡為後腔鏡，曲率半徑 250mm ，鍍有 808nm 的增透膜和 1064nm 的全反膜；柱面鏡為前腔鏡，並耦合輸出雷射，曲率半徑 150mm ，鍍有 1064nm的全反膜，兩腔鏡如圖 4b 所示，放於共焦位置，腔長為 50mm 。[9]
②近年來國外的高功率端面泵浦固體雷射器
端面泵浦高功率運轉固體雷射器：
圖5 所示的美國加州大學端面泵浦高功率運轉固體雷射器[10]是美國加州大學和美國Lawrence Livermore國家實驗室合作，在1999年，進一步提高光束質量之後，採用 LD 端泵Yb:YAG棒獲得 200W 連續波和重複頻率 5kHz、195W 調 Q 輸出，在光束質量 M2=2.4 時獲得183W 調 Q 輸出。同時增加了諧振腔設計的靈活性，運用腔內雙折射補償得到偏振光輸出，提高了效率，得到光束質量 M2=3.2的112W連續波偏振光輸出。[11]
二極體列陣端面泵浦Yb:TAG固體雷射器：
。實驗中的泵浦源是由36個帶微柱透鏡的LD bars構成，每個bar的長度為15mm，採用矽基質的微溝道製冷。泵浦模組分為上下兩部分，雷射由中間的一個直徑為6mm的圓孔通過。半導體列陣發出的泵浦光通過一個耦合透鏡，進入晶體。耦合透鏡是由熔融石英製成的柱面透鏡與中間掏空的鍥形鋁光傳導管組成。在石英透鏡的中間開有一個小孔，允許雷射順利通過。鋁管內表面呈四稜台狀，且鍍有薄薄的一層銀用來反射泵浦光。該耦合透鏡可以將兩束 50×15mm2 的泵浦光會聚成 4.6×2.6mm2 的長形光斑，壓縮比為63。為了減少裝置設計帶來的損耗，該實驗中的晶體為複合棒結構，即在晶體棒的兩端有兩個長為 15mm 端帽，端帽中沒有摻雜激活離子，端帽的一端為與泵浦光的形狀相匹配的矩形，一端為與晶體棒相粘接的圓形。此外，晶體四周被拋光，且晶體棒中心處的直徑為2mm ，長為50mm，由中心向兩端，直徑逐漸增加，與兩個端帽銜接處的直徑為2.2mm。此設計可以有效地減少由於拋光所引起的放大的自發輻射損耗以及寄生振盪損耗。當採用了可以進行熱致雙折射補償的雙棒泵浦腔結構之後，便獲得了1080W 的基頻輸出,光光效率為27.5% ，電光效率為 12.3%。
國內外高功率端面泵浦固體雷射器的套用
在套用上，端面泵浦固體雷射器以材料加工為主，包括了常規的雷射加工：主要是材料加工，如雷射標記、雷射焊接、雷射切割和打孔等。結構緊湊、性能良好、工作可靠的端面泵浦固體雷射打標機產品系列已經在國內得到了規模套用，雷射微加工、雷射精密加工也都有廣泛推廣的趨勢。在國外，千瓦級的二極體端面泵浦固體雷射器已有產品，目前主要受限於成本和市場需求的限制。
除材料加工外，大功率二極體端面泵浦固體雷射器還可以用於雷射核聚變、科學研究、醫療、檢測、分析、通訊、投影顯示以及軍事國防等領域，因而具有極其重要的套用價值。
結束語
我國在低功率端面泵浦固體雷射器(< 200mw)技術比較成熟，產業化(光通訊套用較多)也蓬勃發展。但是目前國外端面泵浦固體雷射器市場化水平已經達到數百瓦，實驗室水平已經達到千瓦級。而國內的大功率端面泵浦固體雷射器發展一直具有局限性，應該積極進行這方面的研究,如果能實現產業化的發展,則必將帶來巨大的經濟效益和社會效益。
產品特點
半導體泵浦雷射打標機技術先進，電光轉換效率高，光束質量好，適用各種金屬和多種非金屬材料打標。 JMJB-EP10型半導體端面泵浦雷射打標機，光模式好，功耗低，特別適用於精細、精度要求很高的場合。
套用領域
電子元器件、晶片、手機通訊、面板、精密器械、五金工具、量具、汽車零部件等。
