新一代高功率固體綠光紅外激光器及其科研應(yīng)用

1、新一代高功率固體綠光/紅外激光器及其科研應(yīng)用    新一代高功率固體綠光/紅外激光器及其科研應(yīng)用薄片式Y(jié)b:YAG激光器GuenterHummelt(德國ElektronikLaserSystemGmbH公司)張志偉博士（北京晨輝日升光電技術(shù)有限公司，北京，100102）摘要：介紹了薄片式固體激光器的原理，Yb:YAG晶體的特性及其與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG晶體固體激光器的對比，VersaDisk固體激光器作為一個光學(xué)平臺所具有的強(qiáng)大功能及給用戶所帶來的方便靈活和擴(kuò)展空間，最后介紹了該激光器在科研領(lǐng)域的應(yīng)用。薄片式半導(dǎo)體新一代高功率固體綠光/紅外激光器及其科

2、研應(yīng)用薄片式Y(jié)b:YAG激光器Guenter Hummelt(德國Elektronik Laser System GmbH公司)張志偉 博士（北京晨輝日升光電技術(shù)有限公司，北京，100102）     摘要：介紹了薄片式固體激光器的原理，Yb:YAG晶體的特性及其與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG晶體固體激光器的對比，VersaDisk固體激光器作為一個光學(xué)平臺所具有的強(qiáng)大功能及給用戶所帶來的方便靈活和擴(kuò)展空間，最后介紹了該激光器在科研領(lǐng)域的應(yīng)用。     薄片式半導(dǎo)體泵浦固體激光器被認(rèn)為是近期來激光技術(shù)最著名的進(jìn)展之一。它基

3、于一種革命性的固體激光器設(shè)計(jì)理念，最近幾年中已經(jīng)成為科研及工業(yè)加工的得力助手，最近幾年更是進(jìn)入了批量化生產(chǎn)階段。薄片式固體激光器可以輸出很高的功率（連續(xù)或脈沖），同時擁有非常好的光束質(zhì)量。http:/    Yb:YAG激光晶體作為特殊的激光工作物質(zhì)，它不僅具有YAG激光基質(zhì)材料本身優(yōu)良的物理性質(zhì)和穩(wěn)定的化學(xué)性能，而且具有很好的激光工作性能。激光波長為1030nm，峰值吸收波長在940nm附近，吸收帶寬很寬（18nm940nm），熒光壽命長(0.95ms)，量子效率高（91%），在相同的半導(dǎo)體泵浦功率下，Yb:YAG泵浦生熱為Nd:YAG的13。能夠很容易的被可靠

4、的InGaAs半導(dǎo)體激光器所泵浦，是一種新型的、適合LD泵浦的高平均功率和高光束質(zhì)量的發(fā)射1um左右波長的激光材料。另外，由于其二倍頻是515nm，接近Ar離子激光器的波長514.5nm，從而使其有可能替換用戶現(xiàn)存的大量氬離子激光器，因此在激光領(lǐng)域內(nèi)受到越來越多的關(guān)注。    由德國斯圖加特大學(xué)的Adolf Giesen博士及其研究小組發(fā)明的薄片式固體激光器技術(shù)，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過采用傳統(tǒng)棒狀晶體設(shè)計(jì)的Nd:YAG固體激光器。由于該項(xiàng)專利是由德國政府資助的，所以只能許可給德國的激光公司。這也是目前只有德國的激光公司能夠生產(chǎn)薄片式固體激光器的原因。德國ELS公司是最早的

5、也是世界上唯一生產(chǎn)高功率薄片式單頻連續(xù)固體激光器的廠商，所生產(chǎn)的VersaDisk激光器獲得Photonics Excellence Award2003大獎，是當(dāng)年世界上唯一獲此殊榮的固體激光器。因此VersaDisk正在被越來越多的科研用戶所接受，而這一切都得益于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念和與眾不同的性能。而且VersaDisk515進(jìn)一步拓展了高功率固體綠光激光器的應(yīng)用領(lǐng)域，打破了該市場過去一直被美國的激光公司所占領(lǐng)的局面。 1 原理    薄片式激光器的稱謂來源是因?yàn)樗木w形狀為薄片式，厚度通常為200微米，直徑為10mm。由半導(dǎo)體激光器從晶體的前表面進(jìn)行

6、泵浦，近似于常用的端泵技術(shù)。薄片晶體整個粘接在熱沉上，所以晶體的冷卻效率非常高（圖1）。由于晶體的厚度很薄，所以每次半導(dǎo)體激光器的泵浦光穿過激光晶體時只有一部分泵浦光被其吸收，為了提高它的泵浦效率，在其前部放置一塊拋物面鏡，使未被吸收的泵浦光多次通過晶體來提高泵浦效率，一般的次數(shù)為32次，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的激光輻射。圖1 薄片式激光器原理圖 圖2 薄片式Y(jié)b:YAG激光器與傳統(tǒng)YAG激光器的對比2與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG固體激光器的對比：    Yb:YAG作為準(zhǔn)三能級結(jié)構(gòu)的晶體，比傳統(tǒng)的Nd:YAG晶體更適合用半導(dǎo)體激光器泵浦，與Nd:YAG晶體相比它的優(yōu)點(diǎn)如下：&#

7、183; 具有較低的量子損耗，熱承載小（91量子效率），熱透鏡效應(yīng)非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。· 具有很寬的吸收帶寬（18nm），因此對泵浦LD的控溫精度要求低。· 上能級熒光壽命長（1ms），有利于儲能。· 發(fā)射線寬較寬，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧輸出。· 激光發(fā)射截面較?。ㄓ欣诟吣芰看鎯Γ?#160;   Yb:YAG晶體的熱傳導(dǎo)和溫度梯度主要沿著軸向，從而使晶體的溫度分布非常均勻，波前形變非常小。這種先進(jìn)的諧振腔設(shè)計(jì)使得熱量從Yb:YAG晶體傳導(dǎo)到熱沉的效率非常高，熱傳導(dǎo)的方向與激光光束傳播的方向平行（即軸向），因此徑向溫度梯度非常小，從而

8、避免了傳統(tǒng)棒狀晶體激光器的固有限制，如高功率下的熱透鏡效應(yīng)、激光晶體的變形、雙折射效應(yīng)等。因此，薄片式固體激光器可以很容易獲得非常高的輸出功率（最大100W）而不影響它卓越的光學(xué)性能，一般都具有近高斯分布的高功率激光束（M2<1.1）。這是它與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG固體激光器的最大區(qū)別，因?yàn)閭鹘y(tǒng)棒狀Nd:YAG固體激光器或者具有高功率，或者具有好的光束質(zhì)量，但不能同時擁有。 3功能強(qiáng)大的光學(xué)平臺：    德國ELS公司的VersaDisk不僅僅是一臺激光器，它實(shí)際上是一個功能強(qiáng)大的光學(xué)平臺。模塊化的設(shè)計(jì)為您帶來靈活的配置和強(qiáng)大的擴(kuò)展性（圖 3），用戶

9、可以根據(jù)自己的研究工作選擇最合適的配置，或者選擇一個通用的配置以滿足大多數(shù)常見的應(yīng)用。VersaDisk腔型結(jié)構(gòu)的自由度非常高，用戶可以只購買一臺激光器而得到紅外（基頻）、綠光（倍頻）或雙波長（紅外和綠光）同時輸出，也可以在腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具、布儒斯特窗片、雙折射濾光片來實(shí)現(xiàn)單頻、線偏振、波長可調(diào)諧等多項(xiàng)傳統(tǒng)棒狀固體激光器實(shí)現(xiàn)不了的功能。  圖3 VersaDisk-515/1030激光器外型圖 圖4 VersaDisk-1030的腔型設(shè)計(jì)圖5 VersaDisk-515的環(huán)行腔設(shè)計(jì) VersaDisk-1030高功率單頻紅外激光器（圖4）： &#

10、160;  VersaDisk-1030可以在1030nm處輸出最大100W功率（5/10/20/30/50/75/100W），并保證輸出模式為TEM00 模。在腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具就可以選擇一個縱模，從而實(shí)現(xiàn)單頻輸出（線寬<5MHz，最大輸出功率可達(dá)50W）。窄線寬和高功率可以使 VersaDisk-1030很方便地實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換（倍頻或泵浦OPO）。VersaDisk-515高功率單頻綠光激光器（圖5）:    VersaDisk-515采用環(huán)行腔設(shè)計(jì)，并選擇非臨界相位匹配的LBO晶體作為倍頻晶體，可以在515nm處實(shí)現(xiàn)最大15W的單頻輸出功率（2.5

11、W/5W/10W/15W，線寬<5MHz）。薄片技術(shù)與環(huán)行腔設(shè)計(jì)的結(jié)合給VersaDisk-515帶來了優(yōu)秀的性能，如指向穩(wěn)定性好、單頻輸出等。·可實(shí)現(xiàn)雙波長同時輸出（圖5）：    把VersaDisk-515環(huán)行腔中的一塊折疊腔鏡換成可透過1030nm的腔鏡，就可同時獲得515nm和1030nm的輸出；通過改變該鏡片對 1030nm的透過率，還可以調(diào)節(jié)515nm和1030nm的輸出功率。·波長可調(diào)（圖6）:    因?yàn)閅b:YAG晶體可以在1000到1060nm范圍內(nèi)產(chǎn)生激光輻射，因此在VersaDisk

12、-1030的腔內(nèi)放置一塊雙折射濾光片它就可以在這個波長范圍內(nèi)調(diào)諧（對于VersaDisk-515來說，調(diào)諧范圍從514nm到517nm）。這個選項(xiàng)可以和單頻輸出共同選擇。圖6 Yb:YAG激光器波長調(diào)諧圖 ·可替代氬離子激光器：    氬離子激光器由于非常耗水耗電正在逐漸被固體激光器代替，但傳統(tǒng)的棒狀固體激光器的波長（532nm）又不太合適，這時VersaDisk- 515（515nm）就是最合適的選擇，因?yàn)樗梢苑浅＞_地把輸出波長鎖定在514.5nm，從而替代氬離子激光器，而且各項(xiàng)參數(shù)都要優(yōu)于氬離子激光器。·調(diào)Q型：雖然Versa

13、Disk非常適合于連續(xù)工作，但在一些應(yīng)用諸如泵浦中紅外（2-5m）調(diào)Q型OPO時，調(diào)Q型VersaDisk就顯得非常合適。通過在VersaDisk-1030諧振腔中加入調(diào)Q元件就可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率1k-15kHz，脈沖寬度500ns的調(diào)Q型VersaDisk- 1030Q。·鎖模型：應(yīng)用可飽和吸收鏡（SESAM）技術(shù)，VersaDisk-1030還可以改制成鎖模型固體激光器，波長1030nm，重復(fù)頻率100MHz，脈寬500fs，峰值功率可達(dá)25MW。該鎖模激光器還有二倍頻（綠光）和三倍頻（UV）選項(xiàng)。    總之，VersaDisk除了具有高功率和優(yōu)秀的

14、光束模式外，而且還是一個功能強(qiáng)大的光學(xué)平臺，可以滿足大多數(shù)科研領(lǐng)域的應(yīng)用。 4應(yīng)用 （1）VersaDisk-1030的應(yīng)用· 中紅外高分辨率光譜（與2-5um OPO一起使用）： 圖7 SpectroStar系統(tǒng)配置圖    VersaDisk-1030可以用來泵浦高功率單頻中紅外（2-5m）OPO（ SpectroStar），從而填補(bǔ)了世界上在該譜段沒有高功率單頻光源的歷史，為從事高分辨率中紅外光譜的科研人員提供了有力的科研工具。由于 VersaDisk-1030的波長可以在1000nm-1060nm之間調(diào)諧，而且可以同

15、時保證高輸出功率和窄線寬，因此可以通過只調(diào)節(jié) VersaDisk-1030的波長來調(diào)節(jié)OPO的波長（2-5m），OPO的最大輸出功率達(dá)3W（3W2954nm，用 VersaDisk1030-20 SF泵浦）。· 玻色-愛因斯坦凝聚和光鑷：    在玻色-愛因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)中，VersaDisk-1030可以用來建立激光俘獲；而在光鑷應(yīng)用中，VersaDisk-1030可以用來輸運(yùn)原子和分子。· 材料微加工：    由于VersaDisk-1030同時擁有高功率（最大達(dá)100W）和優(yōu)秀的光束質(zhì)量（TEM00，線偏振），

16、使得它在印刷工業(yè)中可以對清篩輥進(jìn)行精確的雕刻，而且打出的孔比其它激光器要深而且干凈。 （2）VersaDisk-515的應(yīng)用· 高功率Ti:Sa激光器和染料激光器的泵浦源：    由于Ti:Sa晶體在515nm處的吸收系數(shù)要高于其在532nm處的吸收系數(shù)（圖8，吸收效率要高18%），所以VersaDisk-515是泵浦 Ti:Sa激光器的理想泵浦源。    此外，由于515nm的波長短于532nm，所以VersaDisk-515可以更高效地用來泵浦染料激光器。圖8 鈦寶石的吸收和發(fā)射譜· 全息、干涉、光存儲等其它需要激光器單頻特性的應(yīng)用領(lǐng)域: