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书书书
第
36
卷
第
7
期
中
国
激
光
Vol.36
,
No.7
2009
年
7
月
犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犔犃犛犈犚犛
犑狌犾
狔
,
2009
文章编号:
02587025
(
2009
)
07169307
角抽运全固态激光器的研究进展
刘
欢
巩马理
高
松
(清华大学精密仪器与机械学系光子与电子技术研究中心,北京
100084
)
摘要
报道了清华大学光子与电子技术研究中心近年来在角抽运全固态激光器方面 的研 究成果,其中 包括 大功率
全固态角抽运
Yb∶YAG
激 光 器 的 研 制,全 固 态 角 抽 运
Yb∶YAG
绿 光 激 光 器 的 研 制 以 及 中 小 功 率 全 固 态 角 抽 运
Nd∶YAG
基模激光器的研制。
关键词
激光器;角抽运;
Yb∶YAG
晶体;
Nd∶YAG
晶体;复合晶体;全固态激光器
中图分类号
TN248.1
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犆犑犔20093607.1693
犘狉狅
犵
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狆
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,
犇犲
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100084
,
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)
犃犫狊狋狉犪犮狋
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;
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;
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;
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;
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收稿日期:
20090407
;收到修改稿日期:
20090417
作者简介:刘
欢(
1980-
),女,博士后,主要从事全固态激光器方面的研究。
Email
:
lh
@
mail.tsin
g
hua.edu.cn
导师简介:巩马理(
1959-
),男,教授,博士生导师,主要从事光电子与激光技术等方面的研究。
Email
:
g
on
g
ml
@
mail.tsin
g
hua.edu.cn
(通信联系人)
1
引
言
半导体抽运 的固体激光 器因其固有 的高效率、
长寿命、小体积、高光束质量等优点获得了广泛的应
用。随着半导体激 光技术的 发 展,单 个激光二 极 管
的性能得到很大提 高,尤 其是半导 体 阵列的迅 速 发
展,使固体激光器在 工 业和军事 等 领域已经 处 于主
导地位。 自
20
世纪
90
年代以来,半导 体抽运的板
条激光器一直是世 界各国研 究 的热点,被认为 是 获
得大功率高光束质量激光输出的有效途径之一。近
些年来,科技工作者 在 对传统板 条 激光器的 研 究基
础上,不断研制 出 各种新型 的 板条激光 器。 大功率
高光束质量的板条激光器已经在工业加工、切割、热
处理
、军事、航天等领域发挥着重要的应用。
常见 的板条激光 器一般采用 之字形光路,可 以
克服圆棒激光器热 效应太强 的 缺点,同时具有 功 率
扩展性 好 的 特 点。
E
gg
leston
等
[
1
,
2
]
研 究 了 之 字 形
光路板条激光器的 热特性
,在 厚度方向 走 之字形光
路克服了该方向的 一阶热透 镜 效应,有利于获 得 高
平均功率高光束 质 量激光输 出。
2002
年美国
TRW
公司研制出
2.4
倍衍射极限
5.4kW
输出的激光二极
管抽运
Nd∶YAG
激光器
[
3
]
;
2003
年日本
Fanuc
公司
采用高功率激光二极管抽运
Zi
g
za
g
光路的板条激光
器,实现了从单块
Nd∶YAG
晶体获得
6.1kW
激光输
出,用 两 个
Nd∶YAG
板 条,成 功 获 得 平 均 功 率 为
10.2kW
的激光
[
4
]
;
2005
年美国诺格公司通过端 面
抽运板条 放 大 系 统,获 得
25kW
的 高 功 率 激 光 输
出
[
5
]
;
2006
年美国诺格公司通过将两 路相位调制 的
放大链进行相干合束,成功地实现
19kW
的高光束
质量激光输出,光束质量因子
犕
2
为
1.73
[
6
]
。
国内开展高平均功率板条激光器研究的单位主
要有中国科学院上 海光学精 密 机械研究 所
、华 北光
电所、中国工程物理研究院电子工程研究所、清华大
学、北京 理 工 大 学 等
[
7
]
。
2003
年,
Pen
g
Shi
等
[
8
]
利
用波导耦合结构对 抽运光进 行 整形,端面抽运 一 块
中
国
激
光
36
卷
尺寸为
12mm×10mm×1mm
的带 有微型增益 区
的
Nd∶YVO
4
板条晶体,在抽运功率为
247 W
时,获
得了输出功率
110 W
,
犕
2
小于
1.3
和
1.5
的激光输
出;
2006
年,
Liu Qian
g
等
[
9
]
采 用 角 抽 运
Yb∶YAG
复合板条,获得了千瓦级连续激光输出,最大输出功
率
1050 W
,光 光转换效率
42.8%
。
角抽运方式是
2002
年清华大 学 光子与电子技
术研究中心提出的 一种全新 的 抽运方式,具有自主
知识产权,已申请 多项专利
[
10
,
11
]
。其基 本 原理是在
板条状激光介质的 角部切出 一 个倒角,抽运光 通 过
这个倒角耦合到激 光介质内 部,利 用 抽运光在 介 质
内的全反射来实现多程吸收,大大增加了吸收路程,
在较低的掺杂浓度下也能获得高的抽运效率和较好
的抽运均匀性,有利 于 抽运光能 量 的提取和 激 光介
质的散热。角抽运方法结构简单、效率高,提供了均
匀的高功率密度,还 可 以进一步 与 热键合技 术 结合
起来,利用中间掺杂,两边不掺杂的复合板条激光介
质,把抽运光的吸收区域限制在激光介质的中间,有
利于抽运光和激光 的模式匹 配,并 得 到高的抽 运 功
率密度。近年来,作 者 所在研究 小 组已经成 功 实现
了千瓦 级 连续输出 的 激光二极 管 角抽运
Yb∶YAG
激光 器 稳 定 运 转
[
9
]
,激 光 二 极 管 角 抽 运
Yb∶YAG
LBO
外腔倍频
515nm
连续绿光激光器稳定运转
[
12
]
,
以及中小功 率 连 续 输 出 的 激 光 二 极 管 角 抽 运
Nd∶
YAG1064nm
基模激光器稳定运转
[
13
]
。实验结果充
分证明了角抽运原理的正确性和应用于高功率或中
小功率激光器的基本可行性
。
2
各种抽运方式的比较
目前,对于板条激 光器采用的 主要有
4
种抽运
方式:端 面抽运、侧面抽 运、边缘抽运、角抽 运,如图
1
所示。端面抽运方式
[
14
,
15
]
利用板条晶体的两个端
面来耦合抽运光,有利于提 高 抽运效率。 由于板条
晶体的端面面积比 较小
,而 抽运光在 慢 轴方向的 尺
寸比较大,因此需要对抽运光进行整形,很难实现大
功率抽运。另外,在 板 条晶体的 入 射端面需 要 镀制
对应激光波长和抽 运光波长 的 增透膜,从而提 高 了
晶体加工的难度和成本
。侧面 抽 运 方 式
[
16
]
利 用 板
条晶体较大的侧面来耦合抽运光,耦合系统简单,容
易实现大功率 抽 运,抽 运 光 在 晶 体 内 分 布 较 均 匀。
板条晶体的厚度方 向为抽运 光 的吸收方 向,抽 运 效
率不高。由于面积 大的侧面 用 来耦合抽 运 光,只 能
采用对流冷却或其 他冷却方 式,因 此 冷却系统 较 复
杂。边缘抽运 方 式
[
17
]
利 用 板 条 晶 体 两 个 细 长 的 侧
面耦合抽运光,利用两个面积较大的侧面传导冷却。
细长侧面的尺寸和 抽运光的 尺 寸匹配,因此耦 合 系
统简单。板 条 晶 体 的 宽 度 方 向 为 抽 运 光 的 吸 收 方
向,吸收长度较大,但 抽 运光在晶 体 内分布不 均 匀。
角抽运方式同端面 抽运方式 一 样,板 条晶体两 个 面
积较大的侧面用来 传导冷却,能实现更 高 功率的抽
运和更好的抽运均匀性。角抽运技术还可以和热键
合技术结合起来,利用中间掺杂,两边不掺杂的复合
板条激光介质,把抽 运 光的吸收 区 域限制在 激 光介
质中间
,有利于抽运光和激光的模式匹配。
图
1
板条激光器的
4
种抽运方式
Fi
g
.1 Fourkindsof
p
um
p
in
g
t
yp
esofslablasers
3
大功率输出的角抽运
Yb∶YAG
激
光器
目前实现高功率输出的激光二极管抽运固体激
光器的 主 要工作介 质 是以四能 级 运转的
Nd∶YAG
和准三能级运 转 的
Yb∶YAG
为代表。与
Nd∶YAG
相比,
Yb∶YAG
由于具有 上 能级寿命 长、能 级 结 构
简单
、量子亏损小等优点,已经发展成为高功率固体
激光领域的优秀晶体材料之一
[
18
~
20
]
。
Yb∶YAG
激
光器作为准三能级 系统,除了要求 系 统具备良 好 的
热管理外
,对 抽 运 功 率 密 度 也 提 出 了 很 高 的 要 求。
传统的端面抽运、侧 面 抽运和边 缘 抽运很难 满 足低
掺杂准三能级激光 晶 体高效高 密 度均匀抽 运 要求,
因此本研究小组提 出了崭新 的 角抽运方 法,解 决 了
准三能级
Yb∶YAG
激光材料 要 求高抽运 功 率密度
与低吸收系数之间的矛盾
[
20
~
23
]
。
角抽运方法的 特点在于:在板 条的
4
个角部切
出
4
个倒角面,抽运光从这
4
个倒角面 入 射到板条
内,由于激光介质的折射率较高,大部分抽运光被内
4961
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