固体激光器

固体激光器

一 固体激光器

固体激光器中，由抽运系统辐射的光能，经过聚焦腔，使在固体物质中工作的激活粒子能够有效的吸收光能，让工作物质中形成粒子数反转，通过谐振腔，从而输出激光。

图1 固体激光器基本组成结构

激光二极管泵浦的全固体激光器，随后由泵浦的固体激光器再加入等非线性光学晶体实现近红外、红、蓝、绿、紫外等波长的激光输出。这种全固态激光技术把激光二极管、固体激光器与非线性晶体材料紧凑地结合在一起，效率高、寿命长、能够获得高功率和高光束质量输出。

二 固体激光器的优点

2.1 与市场现有的灯泵浦固体激光器相比，泵浦的全固态激光器具有许多显著的优点

1） 电光效率：的总体效率要比闪光灯泵浦的固体激光器高一个数量级。相比于闪光灯泵浦源的发射光谱很窄而且恰好落在Nd ³⁺离子的峰值吸收谱内。实际上闪光灯的电光效率高达比的电光效率更高。但是闪光灯的发光谱带很宽而其中只有很窄一部分谱线内的辐射可以被离子吸收，而的输出波长则完全与常用固体激光材料的吸收谱线匹配。这就使得具有高效率而且易冷却和热稳定性好等优点。

2） 光束质量：作为泵浦源的发射光谱与吸收谱线相匹配带来的另一优点就是它可以显著减少激光晶体内所积累的热量，减轻激光晶体内的热效应，从而保证输出光束质量。另外，在端面泵浦结构中，泵浦光和激光低阶模之间模式可以很好地匹配。这也保证了激光输出的高效率和高光束质量。

3） 使用寿命：相对于闪光灯泵浦固体激光器系统，泵浦固体激光器系统的寿命和可靠性也要高得多。在连续工作状态下寿命可达一万小时，在脉冲工作状态下脉冲次数可达10⁹次。而且当半导体激光器运行在额定工作电流的以下时，其寿命还可以大幅度提高。相比之下，闪光灯在脉冲和连续工作状态下的寿命分别只有次和小时，而且在闪光灯的发光谱线中有大量紫外光成份。这将引起激光晶体质量的下降，使得系统工作不稳定，导致需要频繁维修，而这些问题在二极管泵浦的固体激光器系统中却并不存。

4） 稳定性：由于半导体激光器输出功率的高稳定性；使得泵浦的固体激光器的不稳定度通常可以保持在百分之一以下。相比之下，闪光灯输出功率存在很大噪声和不稳定性。

5） 结构紧凑：与多样性半导体激光器发射谱线与激光材料吸收谱相匹配‚这使得热损耗降低，减少了外围冷却设备。端面泵浦方式也提高了系统效率，从而打破了传统灯泵浦激光器系统体积庞大的局限，可以获得高效率、结构紧凑的全固态激光器。相对于灯泵浦源，半导体激光器输出光束的方向性较好，使得新的泵浦结构。比如端面泵浦激光器

2.2 半导体激光器相比，也有它突出的优点，包括发射谱线窄，光束质量好峰值功率高，波长范围广等方面。

1）光束质量：典型的的输出光束是接近衍射极限的基模高斯光束。端面泵浦固体激光器的光束质量很好，一般可以做到光束质量因子M²小于1.5；相比之下半导体激光器尤其是高功率半导体激光器的输出光束则是非圆对称的高阶横模。一般光束质量因子M²将会超过100。

2）峰值功率因：为半导体激光器中电子和空穴复合寿命太短约1ns。限制了能量的有效存储，而且激活区损伤闽值低，约mW/cm^-2。所以半导体激光器不适合用来得到高峰值功率。相反，固体激光介质中激活离子的上能级寿命一般大于几百个微秒，使得它能够通过调Q技术获得高脉冲峰值功率。实际上，采用锁模技术，固体激光器可以得到低于飞秒的脉冲输出。峰值功率超过万亿瓦。这些特点使得它们被应用于许多领域，有助于更深入地了解许多物理化学过程。

3）激光波长：利用固体激光器的倍频和混频等技术。可以得到蓝绿紫外甚至深紫外波段的激光。而半导体激光器目前的波长范围只能从蓝光到红外波段。Nd：YAG激光器的四倍频输出可以得到266nm的紫外光。它可以被用来激发被污染样品产生荧光光谱，监测环境。Nd：YAG激光器的倍频技术也导致了高密度光存储器件的发展。

三 固体固体激光器结构

泵浦源,工作物质(激光晶体),激光晶体，谐振腔,非线性倍频晶体和制冷装置几部分组成。泵浦源将电能转换为光辐射,为整个系统提供能量,其发射光谱必须与激光工作物质的吸收光谱相匹配;工作物质从泵浦源吸收能量,通过能级跃迁将光斑质量低的泵浦光转化为亮度高,光斑质量好的激光输出;谐振腔与光学薄膜一起构成正反馈作用,保证了激光的正常运转;非线性晶体则是通过其非线性极化作用,将腔内的激光进行频率变换获得倍频激光输出;制冷装置的主要目的是有效消散激光介质,泵浦源和倍频晶体内产生的热。

2.1  泵浦系统

固体激光器的光泵浦系统由三部分构成,即泵浦源,电源和泵浦腔或者辐射转换光器件。在各种泵浦源中使用最多的是闪光灯、连续弧光灯和激光二极管泵浦,闪光灯及弧光灯由于发射的光谱宽,而固体激光介质的吸收带很窄,因而电光转换效率低。而半导体激光二极管泵浦的全固态激光器(LDPSSL)体积小、重量轻、结构紧凑、寿命长(10000-50000h),已成为今后的主要发展方向。

泵浦源工作的时候需要的前提条件是： 一是泵浦的发光效率一定要满足系统的运行；二是对于辐射光的属性要和工作物质的工作光谱相一致。

LD激光器可以分为端面、侧面、边面以及混合泵浦等形式，如下图2 为端面和图3侧面泵浦

图2 端面泵浦

1）端面泵浦又称纵向泵浦 ，即利用相应的光学系统将泵浦光从端面耦合进入激光工作介质。在端面泵浦方式下，泵浦光与振荡光之间模式匹配良好 ，基模抽运效率高，得到的输出激光光束质量较好 。于泵浦光与振荡光方向一致 ，沿着光轴方向激光工作介质的线度较大 ，有利于实现工作物质对泵浦光的有效吸收 ，从而提高其泵浦效率。也可以通过增加工作介质长度的方法来提高泵浦光的吸收率 ，进而可以弥补因温度变化而引起泵浦效率的下降 。但同时端面泵浦也存在其自身的不足，这种情况下，光学系统的设计就相对比较复杂。因为 LD 输出光束在块、慢轴方向严重不对称 ，所以用简单的光学系统并不能将它聚焦 。通常的做法是先用微柱透镜校正快轴 ，然后用两个相互垂直放置的柱透镜聚焦 ，这就造成整个耦合装置结构尺寸较大 。端面泵浦光进入端时工作介质端面需要镀双层膜 ，由于端面面积的限制，LD 的数目也将随之受到相应的限制 ，总的输出功率不高。因此，端面泵浦技术通常应用在小功率的条件下。

图3 为侧面泵浦

由于端面泵浦条件下泵浦功率比较小 ，为了进一步提高泵浦功率 ，人们提出了侧面泵浦技术。侧面泵浦又称横向泵浦 ，即利用相应的光学系统 ，将泵浦光从侧面耦合进入激光工作介质，此时振荡光的光轴方向与泵浦光方向相互垂直。根据大功率 LD的结构特征，利用简单的光学系统就可以很容易在快轴方向上将泵浦光汇聚成为一条细线，它恰好与激光工作介质的长度方向相匹配 ，而且此时的泵浦面积相对较大。侧面泵浦的条件下 ，为了保持泵浦功率密度的一定 ，激光工作介质横截面积则不能任意增加，泵浦光的吸收长度也将受到相应的限制 ，这种情况下泵浦光与腔模的匹配程度将会大大降低 ，得到的输出激光光束质量也将不高 ， TEM₀₀ 模的抽运效率较低。所采用的冷却结构比较复杂，而且会对泵浦光的吸收造成影响 。因此，侧面泵浦技术通常应用在高平均功率、大能量的系统中。

在实际设计固体激光器的过程中 ，要根据需求选择合适的泵浦方式 。一般情况下，小功率激光器多采用端面泵浦 ；大功率激光器多采用侧面泵浦 ，同时还需要结合 LD 的相关特性以及输出光束质量的要求进行综合的考虑。

2.2  聚光系统

该部分主要实现把工作物质和泵浦光进行耦合导入到晶体内，耦合效率的高低直接决定着泵浦的效率所以聚光系统的实现是光能否泵浦成功的关键。

2.3 光学谐振腔

在固体激光器中，光学谐振腔是实现正反馈选模、起输出耦合作用的器件。合适的谐振腔结构可以最大限度的提高激光器的能量提取效率。

1）提供光学正反馈作用：激光器受激辐射过程具有“自激”振荡的特点，即由激活介质自发辐射，在腔内多次往返而形成持续的相干振荡。振荡光束在腔行进一次时，除了由腔损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持振荡。影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素：一是组成腔的两个反射镜面的反射率，反射率越高，反馈能力越强；二是反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。这两个因素的变化都会引起光学反馈作用大小的变化，即引起腔光束损耗的变化口。

2） 对振荡光束的控制作用：主要表现为对腔振荡光束的方向和频率的限制。由于激光束的特性和光腔结构有密切联系，因而可用改变腔参数（反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射率及配置)的方法来达到控制激光束的目的。具体地说，可以达到以下几方面的控制作用：(1)有效控制腔实际振荡的模式数目，使大量的光子集中在少数几个状态之中，提高光子简并度获得单色性好方响性强的相干光：(2)可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小谐振频率以及光束发散角等，(3)可以改变腔光束的损耗，在增益一定的情况下能控制激光束的输出功率。

2.4 散热系统

激光器在运行时抽运光不能完全转变成激光，有相当一部分以废热形式沉积在激光介质上，使激光介质的温度升高。其中又以激光晶体发热对激光器输出影响最大。晶体发热引起的热透镜效应、端面效应和应力双折射等热效应，使激光器输出光束质量降低、限制了输出功率的进一步提高。激光器的输入功率越大，热效应也越严重，严重时将导致激光晶体炸裂。因此，如何及时消除因功率耗散所转化的热量、解决散热冷却问题是研制大功率固体激光器必须攻克的关键技术之一。

激光器的高效冷却问题与传热学（包括热传导、对流和热辐射)和流体力学（包括质量、动量和能量守恒三大定律)等原理的应用密切相关。

根据冷却方式的不同，冷却可分为主动式冷却和被动式冷却两类。主动式冷却是通过冷却片将热量自然散发到空气中，因为是自然散发热量，冷却效率不是很高；被动式冷却是通过冷却设备强迫性地将热量带走，其特点是冷却效率高，设备体积小，主要包括强迫风冷冷却、热管冷却、半导体（TEC）冷却、微通道板冷却、液氮冷却等方案。

根据冷却温度和方法的不同，冷却方法分类如表1

表1 冷却方法分类

在绝大多数冷却结构中不是只用一种传热方式，而是三种或两种方式组合使用。

四 固体激光器的晶体

固体激光晶体是光学晶体，通常是单晶（单晶硅光学材料），用作固体激光器的增益介质。在大多数情况下，它们被掺杂三价稀土离子或过渡金属离子。当通过吸收泵浦光向晶体提供能量时，这些离子使晶体能够通过受激发射来放大激光波长的光。激光晶体有许多不同的形状。这些晶体的常见几何形状包括长方体、圆柱形和薄圆盘。晶体的形状及掺杂浓度对输出光束有很大的影响。

随着这几十年的发展，激光晶体种类已经大大增加。在数量众多的晶体中，掺钕钇铝石榴石晶体（Nd:YAG）、掺钕矾酸钇晶体（Nd:YVO4）、掺钛蓝宝石晶体（Ti:Al2O3）等是应用最为广泛的。

1 ）Nd：YAG晶体

Nd：YAG晶体具有机械性能良好、增益高、热性能和光学均匀性好的特点，在科研、工业、军事等领域中大量应用。Nd：YAG晶体相对较小的增益带宽，可以实现较高的增益效率和相对较低的激光阈值。 其出色的热性能和机械性能，可以生长具有高光学质量和大直径的晶体。它的出现使得固体激光器大力发展，成功实现了商业化。Nd：YAG晶体吸收808nm，通常在1064nm的峰值附近发光，但在940nm，1120nm，1320nm和1440nm附近也有跃迁。

图4 Nd：YAG晶体吸收与辐射光谱

2）Nd:YVO晶体

Nd:YVO4晶体为单轴，只发射线性偏振光，避免了不必要的双折射对倍频的影响。作为高重复频率调Q激光器和低阈值连续激光器的介质是非常适合的。Nd:YVO4晶体吸收峰波长为808nm，发射914nm，1064nm和1342nm。

图5 Nd:YVO晶体吸收与辐射光谱

3）Ti:Al2O3晶体

钛宝石（Ti:Al2O3）晶体具有很高的稳定性和非常长的使用寿命，可应用在波段为600-1050 nm的激光系统中，实现飞秒激光脉冲。1982年6月，彼得·莫顿（Peter Moulton）在麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）首次构造和发明了基于钛：蓝宝石的激光器。

钛：蓝宝石的吸收带中心位于490 nm，使其适用于各种激光泵浦光源-氩离子，倍频Nd：YAG和YLF，铜蒸气激光器。由于荧光寿命为3.2μm，因此在功能强大的激光系统中，短脉冲闪光灯可以有效地泵浦钛：蓝宝石晶体。

图6 钛宝石（Ti:Al2O3）晶体吸收与辐射光谱

Nd：YAG与Nd:YVO比较的优点：与Nd：YAG相比，Nd：YVO ₄在1064 nm处的受激发射截面大几倍，在1342 nm处的受激发射截面是Nd：YAG的十二倍以上。如果要构造脉冲或连续波激光器， Nd：YVO 4代替Nd：YAG的良好介质。

吸收系数Nd：YVO 4大于Nd：YAG，并且在使用相同的808 nm二极管的情况下，如果使用Nd：YVO 4，则可以以较低的功率使用这些二极管，从而增加了二极管的寿命。

Nd:YVO4与Nd:YAG比较的缺点：

Nd：YVO 4的上态寿命比Nd：YAG的上态寿命短约2.5-3倍。这意味着在Q开关期间很难获得与Nd：YAG一样高的脉冲能量（有时甚至是不可能的）

其他常用激光晶体

五 固体激光器倍频

5.1 倍频原理

光与介质相互作用会发生极化效应，当作用在介质上的光强到一定程度时，在介质的内部会发生非线性极化效应，科学家将这种介质材料称为非线性介质材料。介质的极化强度用 P表示，光波是电磁波，是变化的电场，光波的电场强度用 E 表示。非线性极化强度 P(E)是电场强度 E 的函数总极化率 P 与光电场之间的关系可以表示如下：

       (1)

式中的P是光学材料固有极化率。系数分别代表材料的一阶、二阶、三阶宏观电极化率张量系数。E 代表外加光电场。

     (2)

将（2）带入（1），整理得到

    (3)

上式子的第二项为倍频项。它将发射倍频光。

5.2 倍频晶体

目前常用的倍频非线性晶体有KTP晶体、KDP晶体、KD*P晶体、LiNbO3晶体、BBO晶体、LBO晶体、PPLN晶体等。三种最为广泛应用的非线性光学晶体的信息：偏硼酸钡（BBO）、磷酸氧钛钾（KTP）、三硼酸锂（LBO）

BBO 晶体可接受角小，走离角大，因此需要基频光发散角要小，光束质量要高，且不能够过分聚焦，所以 BBO 晶体不适合峰值功率不高的脉冲光纤激光器的倍频。KTP 晶体的有效非线性系数很高，但是损伤阈值低，且对于 1064nm 倍频时不能达到非临界相位匹配，ϕ 方向可接受角小，同样不能够过分聚焦，利用 KTP 晶体可以对小功率激光进行高效倍频，但不适合高功率激光。相比之下，LBO 晶体是三种晶体中最优秀的，虽然其有效非线性系数略低，但损伤阈值高，容易达到非临界相位匹配，允许参量大且没有走离效应，非常适合中等功率宽光谱光纤激光器的倍频。

5.3 倍频方式

激光器的倍频方式可分为腔内倍频和腔外倍频两种，根据激光器的不同特性选择合适的倍频方式才可以实现最佳倍频效果，对固体激光器而言，由于其谐振腔一般采用光学镜片构成，因此无论是采用腔外倍频方式还是采用腔内倍频的方式都比较容易实现。

1）腔外倍频

腔外倍频方式就是将倍频晶体放在激光器谐振腔外进行倍频，此种倍频方式由于没有在谐振腔内引入倍频晶体，不会增加腔内损耗，所以不会增大激光产生阈值，但是由于采用腔外倍频的方式无法实现很高的倍频转换效率。以Nd: YAG 固体激光器为例。

图7 端面泵 Nd: YAG 固体激光器倍频实验装置示意图

2） 腔内倍频

腔内倍频方式就是将倍频晶体放在激光器谐振腔内进行倍频，倍频光直接从谐振腔输出。将倍频晶体放进谐振腔内，会增加腔内损耗，从而使激光产生阈值增大需要消耗更多的泵浦功率，但是腔内倍频由于谐振腔内具有更高的光功率密度，因此可以实现更高的倍频转换效率。

图7 侧面泵 Nd: YAG 固体激光器倍频实验装置示意图

六 固体激光器调Q

普通脉冲固体激光器输出的脉冲由许多振幅、脉宽和间隔作无规则变化的尖峰脉冲组成的。通常的激光器谐振腔的损耗不变，当反转粒子数达到或略超过闭值时激光便开始振荡，上能级的粒子数因受激辐射而减少，被限制在阑值反转数附近，因而每一个尖峰脉冲都在闭值附近发生，而且脉宽很窄，激光器输出的能量分散在这样一系列的脉冲当中，因而不能获得很高的峰值功率。如果我们在激光器开始泵浦的初期将闽值调得很高，便可以抑制激光振荡的发生，从而可以使上能级反转粒子数积累很多。当反转粒子数积累到最大时再突然把阂值调到很低，上能级积累的大量粒子便雪崩似的跃迁到低能级，在极短的时间内将能量释放出来‚这样就可以获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。

图8 调脉冲建立过程

用V₀表示激光的中心频率，W表示腔内存储的能量，表示光在腔内单次传播的能量损耗率，n表示介质的折射率,L表示谐振腔腔长。c表示光速, 则激光器的品质因数可以表示为：

    (4)

可见当激光波长和谐振腔腔长一定时值与腔的损耗成反比, 而阈值又与损耗成正比，所以我们可以通过改变谐振强的Q值的方法来改变激光器的阈值。在泵浦开始时使谐振腔处于低Q值状态，即提高振荡阈值使振荡不能形成，上能级的粒子数得以大量积累。能量可以存储的时间决定于上能级的寿命，当积累到饱和值时，突然减小腔的损耗，Q值突增，激光振荡迅速建立，上能级粒子数在极短的时间内被消耗，转变为腔内的光能量，从输出端以单一脉冲的形式释放出来，获得峰值功率很高的巨脉冲。图8给出了这一过程中各个参量随时间的变化情况。