[激光原理与应用-32]：典型激光器 -4- 半导体泵浦固体激光器

Posted 2022-12-15 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 概述

1.1 什么是半导体泵浦固体激光器

1.2 优势

1.3 典型的波长

第2章 半导体泵浦固体激光器的种类

2.1 端面泵浦固体激光器

2.2 侧面泵浦固体激光器

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第1章 概述

1.1 什么是半导体泵浦固体激光器

半导体泵浦固体激光器（Diode Pump Solid State Laser），是一种用半导体固体激光材料作为工作物质的新型激光器。半导体泵浦固体激光器近年来国际上发展很快，应用也非常广泛。

半导体泵浦固体激光器也是一种高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化的第二代新型固体激光器，已在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗器械，光学图象处理，激光打印机等高科技领域有着独具特色的应用前景。

该类型的激光器利用能够输出光信号的光电半导体（激光二极管与其驱动器）的代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，从而取得了崭新的发展，被称为第二代的激光器，如LD驱动器，它的基本原理是：电光效应。

• 半导体激光二极管：在恒流的作用下，产生恒定功率的光信号。
• 半导体激光二极管驱动电路：产生恒定的电流，为激光二极管提供持续的能量。

[激光器原理与应用-5]：激光二极管LD (Laser Diode)与激光二极管驱动器(LD驱动器）_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客

1.2 优势

• 1、低功耗：传统的灯泵浦激光器的转换效率大约只有3%左右，泵浦灯的发出的能量大部分转换成了热能，造成了极大的能源浪费。而半导体泵浦固体激光器所用的二极管发出固定的，被激光晶体吸收的808nm波长的激光，光光转换效率可高达40%以上，大大减少了运行成本。
• 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，闪光灯的寿命只有300—1000小时。激光半导体的泵浦能量稳定性好，比闪光灯泵浦优一个能量级，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。
• 3、输出光束质量好：由于半导体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。

1.3 典型的波长

635 nm，650 nm，660 nm，670 nm，690 nm，780 nm，830 nm，860 nm，915 nm，940 nm及1064 nm，1310 nm，1480 nm，808 nm,532 nm.

在工业激光设备中应用最多的波长的半导体激光器是：1064nm（红外光）,532 nm,808 nm等波长段的。

第2章 半导体泵浦固体激光器的种类

半导体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。

而泵浦的耦合方式可分为端面泵浦和侧面泵浦，

其中端面泵浦又可分为直接端面泵浦和光纤耦合端面泵浦两种结构。

2.1 端面泵浦固体激光器

端面泵浦方式最大的优点就是：容易获得好的光束质量，可以实现高亮度的固体激光器。

端面泵浦的效率较高。

这是因为, 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，泵浦光也有一定的模式，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，工作物质对泵浦光的利用率也相对高一些。

正是由于端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波长匹配的优点在国际上发展极为迅速，已成为激光学科的重点发展方向之一。它在激光打标、激光微加工、激光印刷、激光显示技术、激光医学和科研等领域都有广泛的用途，具有很大的市场潜力。

2.2 侧面泵浦固体激光器

侧面泵浦（Side Pump）固态激光器激光头是由三个二极管泵浦模块围成一圈组成泵浦源，每个泵浦模块又由3个带微透镜的二极管线阵组成。每个线阵的输出功率平均为20W输出波长为808nm。该装置采用玻璃管巧妙地设计了泵浦腔和制冷通道。玻璃管的表面大部分镀有808nm的高反膜，剩余的部分呈120°镀有三条808nm增透膜，这样便形成了一个泵浦腔。半导体泵浦源发出的光经过三对光束整形透镜会聚到这三条镀增透膜的狭长区域内，然后透过玻璃管的管壁，被晶体吸收。由于玻璃管大部分区域镀有高反膜，使得泵浦光进入泵浦腔以后，便在其中来回的反射，直至被晶体充分地吸收，而且在晶体的横截面上形成了均匀的增益分布。

同时玻璃管还能用于制冷，高速通过的冷却水将产生的热量迅速带走。晶体采用的是一根复合结构的Nd:YAG棒，有效尺寸为j3*63mm，掺杂浓度为1.5at.%.当泵浦光功率为180W时，得到了72W的激光输出。光光转换效率高达40%。