1、光电技术概论 激光技术及工程唐霞辉华中科技大学激光加工国家工程研究中心第五章 固体激光器 灯泵浦固体激光器 大功率半导体激光器 半导体泵浦棒状激光器 光纤激光器 碟片激光器 倍频紫外激光器 调Q脉冲固体激光器使用晶体作为工作物质。钇铝石榴石占有重要地位，钕离子（Nd 3+）和镱离子（Yb 3+）被加入到晶体内部空隙中，这些离子充当激活介质，相应的离子与钇铝石榴石晶格结合为Nd:YAG激光器或Yb:YAG激光器，这是两种在激光制造中使用最多的固体激光器。Nd:YAG激光器的波长为1064nm或1030nm，位于近红外光谱范围，这比CO2气体激光器，无论是光学元件的选择还是光纤传输，有很大的优越性
2、。 1064nm的近红外激光可以使用光纤传输激光到工件。很多材料，尤其是金属，都具有吸收红外光的特性，而对于波长为10.6m的CO2激光的吸收较差。按照固体激光工作介质的形状可以将固体激光器分为棒状固体激光器、片状固体激光器以及光纤激光器等，激光器可以连续或连续工作 。 固体激光器发展迄今，实现激光振荡的固体激光工作物质已有数百种之多，激光谱线数千条。今后的发展方向是不断探索和研制出新的高效率、高功率、可调谐激光工作物质，以及高效率、高质量的非线性光学材料；发展不同波长的固体激光器；发展以钛宝石等为代表的可调谐激光器；深入研究二极管泵浦固体激光器，实现高功率、高光束质量、高效率、高稳定性和长时
3、间稳定运行。5.1 灯泵浦YAG激光器 5.1 .1 灯泵浦YAG固体激光器基本结构 固体激光器通常由激光工作物质、闪光灯泵浦源和聚光腔及光学谐振腔组成，另外冷却系统和电源系统是固体激光器重要组成部分。灯泵浦固体激光器基本结构简图激光电源为泵浦源供电，对激光晶体提供泵浦光，使激光晶体产生上能级粒子数积累，提供增益，产生受激辐射。全反镜和输出镜构成激光谐振腔。冷却循环系统带走泵浦源电功率转换为光功率以及激光晶体产生的热量，以免泵浦源和激光晶体温度过高，损伤泵浦源和激光晶体。1工作物质 工作物质是激光器的核心，固体激光器发展至今，已有多种晶体作为工作物质，常用的有红宝石、Nd:YAG和钕玻璃三种。
4、随着激光技术的发展， Nd:YVO4、Nd:YAP、Nd:YLF晶体用于不同泵浦和不同要求的激光器中，也逐渐成为重要的激光工作物质。Nd:YAP是各向异性晶体，能获得偏振光输出，它的晶体生长速度比Nd:YAG快3-5倍，但其破坏阈值低，热效应比Nd:YAG严重；Nd:YLF晶体是一种可实现多种激光波长输出的晶体，非线性折射率小、损伤阈值高，它的1.053微米激光跃迁波长与磷酸盐钕玻璃的激光波长匹配得很好。但是它机械性能和导热性都不如Nd:YAG，晶体生长工艺较难。工作物质形状有棒状、板条状、圆盘状、管状等，棒状工作物质是最早使用的激光介质，目前也是使用最为广泛的激光介质。为了改善热透镜效应的影
5、响和光束质量，板条型、圆盘型和管状激光器相继出现。国外板条激光器、圆盘型激光器的研究取得了较大的进展和成果，开发用于激光加工的板条激光器和碟片激光器。2泵浦源固体激光器采用光泵浦方式工作。泵浦系统包括泵浦源、电源和聚光腔。根据电源工作方式不同可以分为连续和脉冲两大类。泵浦源包括惰性气体放电灯（闪光灯和连续弧光灯）、金属蒸汽放电灯（汞弧灯、碱金属灯）、半导体二极管、白炽灯和太阳能。最常用的是惰性气体放电灯和激光二极管。惰性气体放电灯是常规固体激光器广为使用的泵浦光源，以脉冲氙灯和连续氪弧灯为代表。氙灯是一种亮度较高的非相干辐射源，有高的电-光转换效率（70%）和紫外到红外（0.2-1.8m）宽的
6、辐射光谱范围，是用于脉冲工作Nd:YAG和钕玻璃激光器常规的泵浦光源。氙灯由外加高压电脉冲触发方式启动，分为外触发和内触发两种方式。氪比氙线状光谱能更好地与Nd:YAG的吸收谱相匹配，因此氪弧灯常作为连续工作Nd:YAG激光器的泵浦光源。在0.31.2m光谱范围内，氪弧灯的辐射效率约为40%。3聚光腔对于氙灯和氪灯泵浦的固体激光器，聚光腔用于提高泵浦光转换效率和提高泵浦光辐照均匀性。聚光腔通常是封闭的空心几何体，光源、工作物质和其他辅助装置置于其中，表面为一定形式的反射体，包括椭圆柱聚光腔、紧耦合非聚焦聚光腔、漫反射聚光腔和旋转对称聚光腔等。4谐振腔谐振腔是激光器的核心，它的基本结构通常由全反
7、镜、工作物质和输出镜组成。在谐振腔中加入调Q晶体或者非线性光学晶体等其他器件实现调Q、倍频等激光技术，得到不同性质的激光输出。根据反射镜的形状、距离位置等参数和谐振腔理论，谐振腔分为稳定腔、介稳腔和非稳腔等。5冷却系统冷却系统是激光器不可缺少的辅助装置，需要冷却系统带走激光工作时产生的热量。二极管泵浦固体激光器，温度与注入电流的变化是影响半导体泵浦激光源性能相当重要的因素。温度的变化会引起半导体禁带宽度的变化和折射率的变化，随着泵浦二极管温度的增加，激射波长发生向长波长方向移动，进而影响激光器输出，对于输出稳定度要求高的激光器，冷却系统精度控制要求很高。德国TRUMPF公司（原HASS公司）生
8、产的HL4006D 型4KW灯泵浦固体激光器如图 所示。激光发生器采用灯泵浦，在每一个聚光腔中有两只弧光灯。550W一个单元。HL4006D 型4KW灯泵浦固体激光器 激光器的输出功率取决于输入至弧光灯的功率，输入至弧光灯功率越高，激光输出功率也越高。每一个激光器都能产生500W的输出。激光器的输出功率是可调节的，激光器的输出功率在输出端测量。当输出功率偏离了所设定的值，系统能自动的调节输入至灯的功率，直到工件上的功率达到所希望的值。激光束通过光学系统传送至一或数个光纤中，光学系统包括光开关，光闸，分光器，输入耦合器等。4KW灯泵浦固体激光器主要技术参数表5.2 半导体泵浦固体激光器 泵浦源提
9、供工作介质产生激光所必需的能量，同时伴随产生大量无用热，Nd:YAG在750nm和810nm附近的两个吸收带最强，灯泵浦能量分布在从紫外到红外很宽的光谱区，泵浦带以外的紫外辐射被吸收后可能使晶体性能退化，红外辐射被晶体吸收形成有害的热，为使激光器稳定运转，必须及时带走这些无用热，同时它会导致热透镜、应力双折射、退偏等危害，使得激光光束质量、输出功率下降，甚至造成工作介质的破坏，严重限制固体激光器输出功率和光束质量。针对这一问题，人们采用了很多不同的方法，其中采用LD泵浦是目前降低无用热的有效方法之一，LD泵浦的激光器件体积小、稳定性高、寿命长、效率高、可靠性好，并可采用新的激光介质，如Yb:Y
10、AG、Nd:YVO4，还带来了一系列新型器件的研究和发展，如：窄线宽、稳频激光器、光纤激光器、波导激光器、热容激光器等。半导体泵浦棒状固体激光器结构、主要技术特点 侧向泵浦棒状是传统的固体激光构形，灯泵浦时，由于热效应严重，限制了高平均功率输出。它由闪光灯泵浦逐渐发展成为LD泵浦，多采用808nm的LD泵浦Nd:YAG介质，有效地降低了固体激光介质的热效应，通过多个Nd:YAG棒串接及稳腔结构获得了12kW的连续输出。限制棒状Nd:YAG激光器高输出平均功率的因素主要有：（1）热应力引起双折射，使棒成为一个非单一焦距的透镜；（2）非均匀泵浦在棒内引起光学畸变，造成衍射损耗，限制输出功率；（3）
11、棒的破裂阈值限制。 补偿和解决的方法有：采用非球面透镜补偿热畸变；采用对称泵浦（如对称性侧面泵浦）；在中小功率应用时，在谐振腔内插入/4波片，适当调节波片的取向，获得比较满意的退偏补偿。泵浦光 冷却水 电源 激励(激光二极管) 后反射镜 输出镜 激光束 受激辐射 工作物质 (Nd:YAG晶体 横向二极管泵浦棒状激光器示意图为了克服侧泵浦棒的热畸变及热致退偏问题，人们在均匀泵浦技术方面进行了大量探索研究，获得了M2=9的kW级连续输出。采用双棒结构热退偏补偿到小于5%。但由于棒直径一般在mm甚至厘米量级，棒径向温度梯度及泵浦光吸收均匀性的限制，人们需要采用不同形状的激光工作物质来获得更高的输出。HR mirror Nd:YAG rod OutputcouplerPumping unit Flow tubePumping unit LD二极管泵浦棒状固体激光器基本结构简图高功率二极管侧面泵浦固体激光标记系统实物图激光器的结构如下图所示。纵向二极管泵浦棒状激光器示意图德国Trumpf公司HLD型的半导体泵浦固体激光器德国ROFIN公司DY022型半导体泵浦固体激光器5.3 碟片固体激光器
