DPSSL二極體泵浦固體雷射器

DPSSL英文全稱為Diode Pump Solid State Laser,即二極體泵浦固體雷射器。是近年來國際上發展最快，套用較廣的新型雷射器。該類型的雷射器利用輸出固定波長的半導體雷射器代替了傳統的氪燈或氙燈來對雷射晶體進行泵浦，從而取得了嶄新的發展，被稱為第二代的雷射器。

基本介紹

• 中文名：DPSSL二極體泵浦固體雷射器
• 外文名：Diode Pump Solid State Laser
• 優勢：工作時間長、低功耗、體積小
• 設計構想者：美國人紐曼
• 簡稱：DPSSL
• 屬於：電子工程

概述

189新型的LD泵浦的固體雷射器二極體泵浦固體雷射器（Diode-pumped solid-statelaser，簡稱DPSSL）是以基本的LD作為泵浦光源，因此，它是半導體雷射器的具體套用。固體雷射器是人們最早研製成功的雷射器，至今已有近40年的歷史。從20世紀80年代以來，固體雷射器的發展比較快。出現了幾種帶有方向性的新型固體雷射器，這就是半導體雷射二極體泵浦的固體雷射器、可調諧固體雷射器和高功率固體雷射器。由於雷射二極體（LD）成本低，用LD泵浦的DPSSL正在逐步取代其它泵浦方式的固體雷射器。

如前所述，採用閃光燈泵浦的固體雷射器，因泵浦光譜很寬，能被激活離子泵浦帶吸收的有效部分不足20%，也就是說，有80%一90%的能量被浪費掉了，這除了使得雷射器的轉換效率很低外，還會產生危害性極大的熱效應。

由於DPSSL兼備了二極體雷射器和固體雷射器的優點，並相互彌補了對方的某些缺點。儘管隨著技術的發展有可能消除LD的某些缺點（改善束質和提高輸出功率），但固體雷射器的峰值功率和能量儲存能力是LD所不能代替的。DPSSL的電一光轉換效率達19%，連續工作可達數十萬小時，熱負荷和熱效應約比燈泵浦固體雷射器小3倍，而且光束質量好、體積小，可全固化。上述突出優點將使其在許多領域得到廣泛的套用，如通信、遙感、測距和目標指示、相干雷達、精密機械加工、光存儲和圖像處理、醫療、高速電子學、化學動力學和光譜學等。特別引起我們興趣的是大功率DPSSL在強雷射武器和雷射聚變方面的套用前景。DPSSL不僅是很好的戰術雷射武器，而且也是很有希望的戰區防禦武器。如美國空軍已將飛彈防禦重點轉向高技術雷射束，大功率DPSSL系統已成為機載、星載等空間平台中雷射武器的重要被選者之一。

優點

與閃光燈泵浦的固體雷射器相比，DPSSL的主要優點是：

（1）能量轉換效率高。由於半導體雷射二極體的電光轉換效率可達30%以上，遠遠高於一般閃光燈的轉換效率，又由於半導體雷射二極體的輸出雷射譜線較窄，並且可以通過改變其激活區成分和結構，或改變其工作溫度，使輸出雷射中心波長和固體工作物質吸收峰準確地重合，所以DPSSL的轉換效率很高。實驗結果表明，端泵浦的效率最高（總效率約為7%）。尤其是用半導雷射進行端面泵浦時，泵浦光與固體雷射在空間上可以很好地匹配,可使泵浦光的利用率得到進一步提高。DPSSL的總體效率比閃光燈泵浦的固體雷射器可以提高一個數量級。

（2）與半導體雷射二極體相比，DPSSL的輸出雷射譜線窄幾個數量級，雷射發散角很小，有很高的時、空相干性，並且很容易獲得較高的輸出功率。這正是在許多種情況下並不直接利用半導體雷射二極體，而採用DPSSL的原因。

（3）頻率穩定性好。由於DPSSL在工作時產生的無功熱量少，所以工作物質的溫度穩定。又因為DPSSL可以制獲全固態器件，所以可消除振動的影響。一種採用YAG和有效穩定法的DPSSL，其頻率急定性達到了30Hz，而一般的固體雷射器頻率穩定性不會優於17kHz。

（4）壽命長，小型化，結構簡單，使用方便。由於不可避免的存在著熱效應，造成LD泵浦與燈泵浦固體雷射器一樣，其量子損耗（quantumeffect）總是存在，尤其在大功率二極體泵浦固體雷射器中熱效應顯得更為顯著。

雷射二極體陣列對於激活介質吸收而言可以獲得較高的輸出功率。用雷射二極體沿縱軸泵浦Nd：YAG雷射器，雖犧牲一些效率，但用脈衝或連續運轉都能獲得較高的輸出功率。

利用這種泵浦結構，連續泵浦、Q開關或腔倒空運轉方式都能獲得單橫模和單縱模性能。用輸出4．5W二極體陣列泵浦Nd：AGG棒狀雷射器己獲得1W連續輸出，轉換效率為22%。

半導體二極體雷射器是固體雷射器的理想泵浦源。目前半導體雷射二極體及其陣列取得了重大進展。量子阱結構使LD的各項參數改進了約10倍到幾十倍，垂直腔面發射二極體在0．5cm2GaAs晶片上將能封裝百萬個雷射器。在效率方面，連續輸出的A1GaAs二極體最高已達60%。在壽命方面，連續工作最高達105h。LD作為固體雷射器的泵浦源，最關鍵的條件是要有足夠的功率。

DPSSL的一般結構

目前用於DPSSL的固體雷射材料主要是摻釹（Nd）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）等離子的YAG、YAP、YLF、玻璃和Ti：LiNbO3波導等。製成這種雷射器的關鍵是半導體雷射二極體的工作波長與固體雷射工作物質的吸收峰值匹配要好，半導體雷射與固體雷射工作物質內的雷射振盪模式匹配要好，閾值要低，功率要大。

DPSSL的種類也很多，有連續的、脈衝的、調Q的、鎖模的以及加倍頻等。非線性轉換的泵浦耦合方式，有直接端面泵浦方式、光纖耦合端面泵浦方式和側泵浦方式。固體雷射工作物質可以是圓柱形的，也可以是板條形。端泵浦方式因半導體雷射模式與半導體雷射工作物質中的雷射振盪模式匹配良好，所以泵與雷射器之間的耦合效率很高。

目前，已出現的LD泵浦Nd：YAG內腔倍頻的473nm（1064nm、946nm、）波長的全固態藍色雷射器，它的諧振腔就是採用緊耦合結構。它是通過調整LD的溫度，使其發射譜處於Nd：YAG的吸收峰808．5nm處，從LD出射的雷射經過準直、整形、聚焦後在Nd：YAG晶體上形成一個直徑約為70[1m左右的光斑，光強分布為高斯分布的雷射。62．3典型的高功率DPSSL隨著高功率二極體泵浦固體雷射器Oiode-Pumped Solide-State Laser，簡稱DPSSL）。

發展狀況

端面泵浦

端面泵浦方式最大的優點就是容易獲得好的光束質量，可以實現高亮度的固體雷射器。所以，對端面泵浦的嘗試一直也沒有停止過。在該系統中，泵浦源採用8W的半導體雷射器，輸出後經柱狀稜鏡組整形，將光束髮散角壓縮並聚焦後輸入雷射晶體。雷射晶體的靠近泵浦源的一端面鍍808nm的增透膜和1064nm的高反膜。808nm的增透膜使泵浦源發出的808nm波長的雷射進入雷射晶體前的損耗降至最低，而1064nm的高反膜與鍍有1064nm部分反射膜的輸出鏡結合起來，形成諧振腔，使1064nm的雷射產生振盪放大並輸出。該種結構中泵浦光束激活的晶體模體積較小，因而一般用於功率較小的場合，如ACI公司設計此款雷射器的目的是用於3W的雷射打標機系統中。但端泵的優勢在於輸出的雷射模式較好，便於實現TEM00輸出，在某些功率要求不高，需要準直的場合非常實用。如雷射測距，電子元器件的標記等方面。

側面泵浦

休斯航天航空實驗室的研究人員們側面泵浦棒狀Yb:YAG晶體獲得了0.95KW的大功率輸出。這是目前利用半導體雷射器泵浦單根Yb:YAG所得到的最大的功率輸出。側面泵浦（Side Pump）固態雷射器雷射頭是由三個二極體泵浦模組圍成一圈組成泵浦源，每個泵浦模組又由3個帶微透鏡的二極體線陣組成。每個線陣的輸出功率平均為20W輸出波長為808nm。該裝置採用玻璃管巧妙地設計了泵浦腔和製冷通道。玻璃管的表面大部分鍍有808nm的高反膜，剩餘的部分呈120°鍍有三條808nm增透膜，這樣便形成了一個泵浦腔。二極體泵浦源發出的光經過三對光束整形透鏡會聚到這三條鍍增透膜的狹長區域內，然後透過玻璃管的管壁，被晶體吸收。由於玻璃管大部分區域鍍有高反膜，使得泵浦光進入泵浦腔以後，便在其中來回的反射，直至被晶體充分地吸收，而且在晶體的橫截面上形成了均勻的增益分布。同時玻璃管還能用於製冷，高速通過的冷卻水將產生的熱量迅速帶走。