激光二極管泵浦固體激光器設(shè)計(jì)zsf

1、基于激光二極管泵浦固體綠光激光器一緒論：二極管泵浦固體激光器，是近年來(lái)國(guó)際上發(fā)展最快，應(yīng)用較廣的新型激光器。該類型的激光 器利用輸出固定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器代替了傳統(tǒng)的氟燈或氙燈來(lái)對(duì)激光晶體進(jìn)行泵浦，從而取得了嶄新的發(fā)展二極管泵浦固體激光器的發(fā)展與半導(dǎo)體激光器的發(fā)展是密不可 分的。1963年，美國(guó)人紐曼就首次提出了用半導(dǎo)體做為固體激光器的泵浦 源的構(gòu)想。但在早期，由于二極管的各項(xiàng)性能還很差，作為固體激光器的 泵浦源還顯得不成熟。直到1978年量子阱半導(dǎo)體激光器概念的提出，使得二極管泵浦固體激光器的發(fā)展步上了一個(gè)嶄新的臺(tái)階。其中最為重要的是用半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體列陣激光器泵浦固體激光器技術(shù)的發(fā)展，

2、這是一種高效率、長(zhǎng)壽命、光束質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊小型化的第二代新型固體激光器.目前 日本Fanuc公司的LD雙面抽運(yùn)板條激光器，在抽運(yùn)平均功率為 9.5kW時(shí),平均輸出功率達(dá)到3.3kW,光效率為35%,這是利用單塊 Nd:YAG板條所得到的最大輸出功率（1）。2003年日本Toshiba公司研制的Nd : YAG激光 器采用六個(gè)串聯(lián)的LD抽運(yùn)模塊，實(shí)現(xiàn)了 12kW的激光輸出，電-光效率為23%，并把激光頭 的體積縮小到了不足0.05立方米（2） 3二總體設(shè)計(jì):1泵浦源設(shè)計(jì)（1）光纖耦合端面泵浦端面泵浦方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是容易獲得好的光束質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)高亮度的 固體激光器，因此我們選擇光纖

3、耦合的端面泵浦。端面泵浦激光器由激光二極管、兩 個(gè)聚焦系統(tǒng)、耦合光纖、工作物質(zhì)和輸岀反射鏡組成，如圖2所示。與直接端面泵浦不同，這種結(jié)構(gòu)首先把激光二極管發(fā)射的光束質(zhì)量很差的激光耦合到光纖中，經(jīng)過(guò)一段光纖傳輸后，從光纖中岀射的光束變成發(fā)散角較小的、圓對(duì)稱的、中間部分光強(qiáng)最大的泵浦光束。用這一輸岀的泵浦光去泵浦工作物質(zhì)，由于它和振蕩激光在空間上匹配得很好，因此泵浦效率很高。 由于激光二極管或二極管陣列與光纖間的耦合較與工作物質(zhì)的耦合容易，從而降低了對(duì)器件調(diào)整的要求。而且最重要的是這種耦合方式能使固體激光器輸岀模式好、效率高的激光束。LD泵浦方式一般：端面和側(cè)面泵浦。與側(cè)面泵浦相比，端面泵浦效率高，

4、模式好。LD端面泵浦設(shè)計(jì)存在高功率擴(kuò)展問(wèn)題。但是近年來(lái)發(fā)展了很多用于擴(kuò)展輸出功率的技術(shù),如兩路耦合,咼功率泵浦源，多個(gè)泵浦源光纖捆匝，多個(gè)增益介質(zhì)的多端面泵浦等等。這些技術(shù)相結(jié)合促進(jìn)了 LD端面泵浦激光器的發(fā)展。我們根據(jù)具體情況，采用了 LD端面泵浦方式。因此人們對(duì)端面泵浦的研究一直也沒有停止過(guò)。所以在該系統(tǒng)中，泵浦源采用的半導(dǎo)體激光器，輸出后經(jīng)柱狀棱鏡組整形，再通過(guò)光纖的傳輸，最終通過(guò)倒置的望遠(yuǎn)系統(tǒng)耦合到激光晶體上，從而實(shí)現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)分布。激光晶體的靠近泵浦源的一端面鍍 808nm的增透膜和1064nm的高反膜。808nm 的增透膜使泵浦源發(fā)出的 808nm波長(zhǎng)的激光進(jìn)入激光晶體前的損耗降至最

5、低，而1064nm的高反膜與鍍有 1064nm部分反射膜的輸出鏡結(jié)合起來(lái)，形 成諧振腔，使 1064nm的激光產(chǎn)生振蕩放大，然后通過(guò)倍頻晶體將1064的波變成532的泵浦源在用傳統(tǒng)的風(fēng)冷設(shè)計(jì)，我們主要通過(guò)溫度的采集，進(jìn)行對(duì)比，最終控制冷卻風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)恒溫系統(tǒng)光纖：多模光纖相對(duì)于單模光纖耦合，傳輸?shù)哪芰扛?，因而傳輸相同功率的能量需要的耦合器件也就越少，相?duì)于價(jià)格也就越低，因此我們選擇光纖芯徑約為 62.5um的階躍型多模 光纖泵浦光耦合系統(tǒng)：自聚焦透鏡是一種與常規(guī)透鏡不同的小型透鏡，實(shí)際上是一段梯度光纖，故又 稱GRIN透鏡。自聚焦透鏡的聚光能力是依靠折射率的漸變分布實(shí)現(xiàn)的，透鏡的焦距由透鏡的長(zhǎng)度

6、決定。因此，自聚焦透鏡的加工簡(jiǎn)單，其端面只需研磨成平面，外形 尺寸較小，且數(shù)值孔徑較大，適用于狹小空間。理想情況下，自聚焦透鏡的折射率 分布是雙曲正割型，因而可以完全消除透鏡的球差。但由于制造工藝的影響，很難 形成理想的雙曲正割型折射率分布，而平端自聚焦透鏡的球差仍很嚴(yán)重，會(huì)聚光斑 較大，采用這種自聚焦透鏡的耦合系統(tǒng)的耦合損耗大于3dB。作為改進(jìn)，將前端研磨成球面的平凸自聚焦透鏡系統(tǒng)可以提高透鏡的數(shù)值孔徑，并補(bǔ)償折射率分布，從 而使耦合損耗降低到2dB。若對(duì)前端的形狀進(jìn)行優(yōu)化，可以得到ldB的耦合損耗。但 由于平凸自聚焦透鏡系統(tǒng)的優(yōu)化需要精密的測(cè)量手段和復(fù)雜的計(jì)算，透鏡的光學(xué)加 工需要小曲率球

7、面的精密研磨，這使制造難度和成本增加，因而不適用于批量生產(chǎn)2。自聚焦透鏡耦合就是首先讓激光進(jìn)入一段自聚焦光纖 (GRIN lens),即折射率參 數(shù)為2的梯度型折射率光纖，光束強(qiáng)烈的聚焦后，再耦合進(jìn)光纖中進(jìn)行傳輸。自聚焦 光纖的折射率在徑向的分布符合下式:N(r)=n其中r是徑向坐標(biāo)，a是光纖纖芯半徑， n是纖芯中最大和最小折射率的差值。g二稱為聚焦常數(shù)。圖2.8為自聚焦透鏡的成像原理圖。2/naA圖2.8自聚焦透鏡的成像原理圖h為自聚焦透鏡主平面所在位置與光纖端面的距離，itan主截面h為自聚焦透鏡主平面所在位置與光纖端面的距離，(2.5) ita n( )/2gh ng二L1和L2分別為物

8、和像離兩端面的距離，兩者滿足：(2.6) O2ioo2cos()sin()1sin()cos()nLggLgLLngnLggLgL +=+ 自聚焦透鏡的焦距 f為:9(2.7) 01si n( )fnggL二L為透鏡長(zhǎng)度，g為聚焦常數(shù)。當(dāng)自聚焦光纖長(zhǎng)度 L為四分之一 正弦波周期的奇數(shù)倍時(shí)(正弦波周期f=1/nog,透鏡的聚焦能力最強(qiáng)；當(dāng)L為四分之一正 弦波周期的偶數(shù)倍時(shí)，自聚焦光纖焦距為無(wú)窮大，沒有聚焦作用。2工作物質(zhì)(1) Nd:GdV0 4晶體具有很多優(yōu)點(diǎn)：在 808nm處的吸收截面是Nd:YAG 的7倍多，是Nd:YVO 4的3倍多；在1.064卩m處的發(fā)射截面是 Nd:YAG 的3倍多

9、，與Nd:YVO 4 相當(dāng)；大的分凝系數(shù)，并可實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜而不出現(xiàn)發(fā)光濃度猝滅；同Nd:YVO 4 相比，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)率高，與 YAG 相近，因而在中高功率激光器應(yīng)用中更具競(jìng)爭(zhēng)力。 Nd: GdVO4具有良好的應(yīng)用前景，是Nd:YVO 4和Nd:YAG 的較為理想的替代品，目前已有商品 化的晶體出售 14 。( 2)倍頻晶體 KTP 倍頻器的研制，主要包括生 長(zhǎng)優(yōu)質(zhì) KTP 晶體和晶體的加工。KTP晶體屬于正交晶系，點(diǎn)群 為m22，是正雙光軸晶體。晶體常數(shù)a = 1.280 93nm ,b = 0.641 96 nm , c = 1.060 36 nm。其透光范圍為 0.3-4 口

10、m。波長(zhǎng)為 1.064 口 m 和0.532 n m光的折射率分 另U為z其非線性光學(xué)系數(shù) 為En"，l. 06' = 1.7400n y '.06' = 1. 7469n.'.064 = 1.830 4d 15 = 6.1 pm. V-ld 81 = 6.5 pm. V-ld 33 =13.7pm.V-1n"， O.582 = 1.778 3n y O.58Z = 1.7924n . . O?582 = 1.887 3d 24 =7.6pm.V-ld 32 =5.8pm.V-lKTP倍頻器采用I類臨界相位匹配方式。取相位匹配角。=90 &#

11、176; ,方位角？ = 23 011'。按此角度切割 長(zhǎng)度為8mm的晶體，把通光面加工成光學(xué)平面，再將其通光表面鍍對(duì)波長(zhǎng)為1. 064(1 m和0.532 口 m的光同時(shí)高透射的介 質(zhì)增透膜。【0】(3)由于本激光器的 輸出綠光平均功率為45W屬于中小型激光器，而且Nd:GdVO 4 晶體的熱導(dǎo)率比較高， 所以本系統(tǒng)采用比較簡(jiǎn)單的風(fēng)冷就可以達(dá)到要求， 因此我 們采用風(fēng)冷。風(fēng)冷比其他冷卻具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低，維護(hù)型號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。3 諧振腔m棋綠光激尢輸出實(shí)畑山 用布氏板實(shí)現(xiàn)了 LD慕浦的Nd： YAG/KTP內(nèi)腔倍頻激光器的單模運(yùn)轉(zhuǎn).實(shí)驗(yàn)袈K如圖I 所示.從式(17) 岀，對(duì)各向同性激光介

12、質(zhì).靠改變損耗就很容易實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn).布氏板與KTP -超構(gòu)成Loyt濾光器以實(shí)現(xiàn)擁耗調(diào)制.m棋綠光激尢輸出III諧振腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中:QS為聲光Q開 關(guān),M|為端鏡;他為折疊腔鏡;他為內(nèi)表面曲率半 徑盡的凹凸彎月透鏡;畋為曲率半徑鳳的凹面 鏡，此4鏡構(gòu)成了簡(jiǎn)潔的Z型折疊腔。考慮到聲光 晶體的尺寸和LBO晶體的溫控爐的大小，將聲光Q 開關(guān)置于M2鏡到M3鏡的折疊處。折疊腔是駐波 腔，并且由于折疊反射鏡一般工作在離軸位置而引 入像散，因此折疊腔又是像散腔。像散使腔內(nèi)行進(jìn) 的光斑的子午面和弧矢面的光斑大小失調(diào)，不僅使 輸岀光束質(zhì)量降低,還會(huì)影響腔的穩(wěn)定性，所以如何 控制折疊腔的像散成為設(shè)計(jì)腔參

13、數(shù)的關(guān)鍵。同時(shí),激光晶體的熱透鏡效應(yīng)，也是諧振腔設(shè)計(jì)中必須考 慮的中心問(wèn)題，它對(duì)諧振腔的穩(wěn)定性和腔內(nèi)各處的 模參數(shù)有直接和較大的影響。此外,要使輸出光束 有較高的質(zhì)量，必須限制它在基模下工作，而要實(shí)現(xiàn) 高功率運(yùn)轉(zhuǎn)，則必須在激活介質(zhì)中有較大的模體積 （同時(shí)要考慮與泵浦光束的模匹配）。把諧振腔的 穩(wěn)定T.作區(qū)設(shè)計(jì)在較高的泵浦功率范圍，以實(shí)現(xiàn)激 光器的高功率運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)，諧振腔的穩(wěn)定區(qū)要足夠 寬，使一定的泵浦功率擾動(dòng)不致于影響激光器的正 常工作。由于聲光Q開關(guān)的斷開時(shí)間主要是由聲 波通過(guò)光束的渡越時(shí)間決定的，如果Q開關(guān)時(shí)間太 慢，會(huì)使脈沖變寬甚至?xí)a(chǎn)生多脈沖現(xiàn)象，影響脈沖 激光的輸出，故聲光晶休應(yīng)放置

14、在光束的束腰位置。最后,還要考慮倍頻晶體內(nèi)的光斑大小，由于腔內(nèi)激 光功率較高，過(guò)分減小晶體內(nèi)的光斑會(huì)造成晶體的 損傷，而光斑過(guò)人又會(huì)降低倍頻效率,使輸岀功率下 降c基于以上考慮，用傳輸矩陣法対諧振腔進(jìn)行 了分析和數(shù)據(jù)計(jì)算。7 MAGNI V. Resonator for solid-state lasers with large-volume fundamental mode and high alignment slability J Appl Opt, 1986, 25(1):107417.圖1 Nd： YVO4激光器諧振腔示意圖(1 ).劉媛,方高瞻，馬驍宇等.大功率二極管泵浦固體激光器J.激光與紅外，2002 , 32(3):139-142(2)5.Akiyama Y, Takada H, Sasaki M et al. Efficient 10 kW diode-pumped Nd: YAG rod laser J.Proceedings o