激光二极管泵浦的Nd：YAG固体激光技术与工程应用

激光二极管泵浦的Nd：YAG固体激光技术与工程应用

邱欣蕊

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摘要：激光二极管泵浦固体激光器是用激光二极管代替闪光灯泵浦固体激光增益介质的激光器。具有效率高、寿命长、结构紧凑、稳定可靠等特点，是新一代固体激光技术发展的主流，在激光测距、激光成像、激光通信等方面具有广泛的应用。本文以二极管泵浦固体激光技术为中心，对二极管泵浦Nd：YAG固体激光器的工程应用进行了研究。

关键词：固体激光器；激光二极管泵浦；Nd：YAG晶体

引言

激光这种新型光源独特的辐射机理（受激发射）决定了激光的高亮度、单色性和方向性（高度时间、空间相干性）这些都是普通光源所无法比拟的。激光二极管泵浦固体激光器是指利用半导体激光器作为泵浦源，泵浦激光增益介质输出激光的激光器，其发射波长与固体激光增益介质的吸收峰值易于匹配。同时，用于泵浦的固体激光材料，如Nd：YAG及其系列，可使其整体的体积缩小。由于它具有具有转换效率高、光束质量好、工作寿命长、结构紧凑、稳定可靠等一系列传统灯泵浦固体激光器无法比拟的特点，近些年来发展极为迅速，已成为新一代固体激光技术发展的主流。

1固体激光器的的发展

激光二极管泵浦固体激光器的研究最早可追溯到二十世纪六十年代。自1960年梅曼研究成世界上第一台激光器——红宝石激光器以来，激光技术开始迅速发展。1963年，Newman发现用880波长的GaAs激光二极管泵浦Nd：CaWO4晶体能够激发1.06μm波长的荧光，1964年美国MIT林肯实验室用激光二极管泵浦U3+：CaFe2晶体，这是最早有关二极管泵浦固体激光技术的研究资料。

1968年，美国麦道宇航公司第一个研制出激光二极管侧面泵浦的Nd：YAG激光器，与此同时，国内华北光电技术研究所也开展了这方面研究。这时，虽然意识到这种激光器转换效率高、泵浦方式简单、结构紧凑，具有深厚的发展潜力，但当时激光二极管的制作工艺水平低、输出功率小、光束质量差等原因，难以拓展应用领域。

二十世纪八十年代末期，随着激光二极管的研究工作发展迅猛，大功率激光二极管和阵列型激光二极管成为极理想的泵浦源，推动了Nd：YAG激光器大踏步前进，同时新的固体增益介质也相应发展起来，为激光二极管泵浦的固体激光器的快速发展奠定了基础。进入九十年代，激光二极管的制作工艺和生产技术逐渐成熟，可靠性、使用寿命都大幅度提高，激光二极管泵浦固体激光技术也取得了实质性的飞跃，成为固体激光器重要的发展方向。

2二极管泵浦固体激光器的类型与特点

激光二极管作为泵浦源，使增益介质的粒子数反转并产生受激放大，最终产生激光输出，泵浦使用的二极管发射的泵浦光，具有方向性好、亮度高、光谱窄、能量空间分布相对集中的特点。二极管泵浦大致可分为端面泵浦、侧面泵浦和混合泵浦三种形式。

2.1端面泵浦

端面泵浦是指激光二极管发射的泵浦光从激光增益介质端面入射的泵浦方式。端面泵浦条件下，只要工作物质足够长，泵浦光能量就能全部被吸收，而且泵浦光束能与激光振荡模式相匹配，空间交叠程度高，有利于获得单模激光输出，因此，采用二极管端面泵浦的固体激光器，能量利用率高，输出光束质量好。

但是，由于工作物质端面面积有限，激光增益介质对泵浦光的吸收集中在很小的区域中，这使得增益介质内温度分布不均匀，热效应加剧，因此，一般情况下，端面泵浦方式适用于输出功率较低的二极管泵浦固体激光器中。

2.2侧面泵浦

侧面泵浦是让激光二极管发射的泵浦光从激光增益介质的侧面入射的泵浦方式。通常增益介质的侧面面积较大，激光二极管的泵浦功率相比端面泵浦更低，耦合光学系统设计相对简单。侧面泵浦的方式有利于大功率激光二极管泵浦。侧面泵浦条件下，工作物质可以是圆棒、板条或其它形状。

但是，由于侧面泵浦条件下，增益介质内的增益分布与激光器基模模式的空间交叠程度较低，容易引起多模振荡，会造成激光光束质量的下降。

2.3混合泵浦结构的固体激光器

从以上分析可知，二极管端面泵浦和侧面泵浦方式各有特点，也有其缺点。为综合这两种泵浦方式的优势，同时克服他们的缺陷，可以采用混合泵浦结构，将端面泵浦和侧面泵浦巧妙地结合在同一个谐振腔中。

通过小功率二极管端面泵浦产生种子激光，再通过大功率二极管侧面泵浦，对种子激光进行功率放大，从而产生高功率、高光束质量的激光输出，使激光器在一定程度上具有端面泵浦效率高、模式好的特点，又采用侧面泵浦实现了大功率激光输出。

3二极管泵浦Nd：YAG固体激光器的系统设计

工程应用中，二极管泵浦Nd：YAG固体激光器的组成部分主要有激光二极管泵浦源、Nd：YAG激光增益介质、激光二极管电源、激光二极管温控仪、谐振腔光学系统等。

3.1Nd：YAG晶体特性

Nd：YAG激光器是目前最常用的一种固体激光器。掺钕的钇铝石榴石（Nd：Y3Al5O12-Nd：YAG）晶体结合了许多适合产生激光作用的优点，YAG基地硬，光学质量好、热导率高，YAG的立方结构也有利于窄的荧光谱线，从而产生高增益、低阈值的激光输出。

根据Nd：YAG晶体的吸收谱可以知道，在808nm附近有一强吸收峰，适用于激光二极管泵浦。激光二极管的发射波长具有随温度升高而增大的变化趋势，通过温度调节，将激光二极管发射的泵浦光波长控制在808nm附近，即可满足光谱匹配要求，从而提高泵浦效率。

3.2激光二极管的选择

激光二极管具有体积小、重量轻、效率高、工作寿命长等重要特点，选择激光二极管作为泵浦光源，其性能指标直接由晶体的光谱吸收特性所决定，同时对激光器的整体结构和冷却方式的选择也有很大影响。

因此，激光二极管泵浦源应的中心波长应该控制在Nd：YAG晶体的吸收峰中心波长处，同时光谱线宽度要小于晶体的吸收峰宽度，使能量集中在吸收峰内，实现有效吸收。同时，选用的激光二极管要满足光电销量高、发热量小、输出光束质量稳定、光束发散角小的特点。

3.3激光二极管电源的设计

激光二极管是以电流注入作为激励方式的一种半导体激光器，其使用寿命、工作特性在很大程度上依赖于驱动电源的性能。通过对激光二极管的工作特性进行分析，可以知道，注入电流的稳定性对于激光器的输出有直接影响，因此激光二极管电源需要一个恒流源，并需要具有较高的电流稳定度，并做好抗电冲击措施和保护电路。并且，电源要做到无高压，安全性好。

3.4激光二极管温控仪的设计

温度控制对激光二极管有非常重要的作用，在激光二极管工作室，产生废热，导致激光二极管中心波长随温度变化而产生漂移。当温差过大时，会导致二极管光谱与增益介质的吸收谱线不匹配，致使激光二极管能量难以被增益介质吸收，影响整个固体激光器的输出功率稳定性和工作效率。

为了达到光谱匹配要求，必须稳定激光二极管的中心波长，需要严格控制激光二极管温度。通常采用热电制冷的形式为激光二极管控温，元器件选用半导体制冷硅，通过控制制冷硅上电流的大小和方向，实现对激光二极管的制冷或加热，从而控制激光器工作温度，获得恒定波长的泵浦光。

3.5谐振腔光学系统设计

常见的激光谐振腔有平行平面腔、对称共焦腔和一般平凹腔等。激光二极管端面泵浦Nd：YAG固体激光器常采用平凹谐振腔，这种腔结构简单、损耗低、易于调整。通过选用不同曲率半径的输出腔镜，可以改变Nd：YAG晶体内振荡模腰斑的大小，以实现泵浦光束与激光光束的最佳匹配。

结束语

激光二极管泵浦固体激光技术是当前固体激光领域的研究热点，本文围绕激光二极管泵浦固体激光器的发展历史、激光二极管泵浦的类型和特点，以及激光二极管泵浦的Nd：YAG固体激光器的系统设计的三个方面，详细说明了激光二极管泵浦的Nd：YAG固体激光技术原理与工程应用。随着固体激光器的制造工艺日益提高，激光二极管泵浦固体激光器将在激光测距、激光通信、激光雷达等领域实现更为广泛的应用。

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