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全固态激光器及其优越性1、引言全固态激光器是指用半导体激光管代替气体放电灯泵浦的固体激光器它集两种激 光器的优点为一体，具有体积小、重量轻、效率高、光束质量好、可靠性高、寿命长、 运转灵便、输出谱覆盖率宽、输出强度动态范围大等优势，已成为新一代的优质相干光 源［1］从上个世纪 60 年代提出全固态激光器以来，全世界范围内掀起了研究热潮，经过 20 多年的发展，于90 年代实现了中低功率全固态激光器器件的实用化和产业化近10 年来，全固态激光器市场每年增长均在 50%以上由于许多传统的激光器正被全固态激 光器多代替，因此，全固态激光器的市场增长势头不会降低本文主要目的是分析全 固态激光器的工作原理，在此基础上探究全固态激光器的优越性，展望未来的发 展前景2、激光器的结构及其基本原理2.1 激光器原理除自由电子激光器外，各种激光器的工作原理都基本相同产生激光的必要条件是 粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中重要的组成部分包括激励源和具有亚稳态能级 的工作介质两个部分激励是工作介质吸收外来能量后被激发到激发态，为实现并维持 粒子数反转创造条件激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等激光器 中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔并不是必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内 的光子具有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。

它 不但可以通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式，还能很好地缩短工作物质的长 度，所以一般的激光器都具有谐振腔2.2 激光器的工作物质激光器的工作物质可以是固体、气体、半导体和液体等对激光工作物质的主要求 是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现最大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个 激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去所以要求工作物质具有合适的能级结构和 跃迁特性2.2.1 激励抽运系统激励抽运系统是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机 构或装置根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装 置，常见的有以下四种①光学激励，利用外界光源发出的光来实现粒子数反转的整个 激励装置②气体放电激励，利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数 反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成③化学激励是利用在工作物 质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应 的引发措施④核能激励是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射 线来激励工作物质并实现粒子数反转的2.2.2 光学共振腔光学共振腔是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组 合而成。

为激光器提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持 续振荡；对腔内往返振荡光束的方向和频率进行控制，来保证输出激光具有一定的定向 性和单色性2.3 激光器的分类根据工作物质物态的不同可以把所有的激光器分为以下几大类：①固体激光器，这 类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻 璃基质中构成发光中心而制成的；②气体激光器，体激光器利用气体或蒸汽作为工作物 质产生激光的器件，在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒 子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发 射跃迁③液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧 光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子起工作粒子 作用，而无机化合物液体则起基质的作用；④半导体激光器，这类激光器是以一定的半 导体材料作为工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式 （电注入、 光泵或高能电子束注入），在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发 非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用；⑤自由电子激光器，这 是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为空间内周期变化磁场中高速运动的定向自由 电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐 射谱可从 X 射线波段过渡到微波区域。

3、半导体激光器和固体激光器的工作原理及优缺点3.1 半导体激光器的原理及优缺点半导体激光器是利用半导体物质在能带间跃迁发光，半导体晶体的解理面形成两 个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出 激光半导体激光器具有转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高，能直接调制等优良 特性，但它也是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件，对于电冲击的承受能力很 差，微小的电流变化都会导致光功率输出的极大变化和器件参数的变化，这些变化直接 危及激光器的安全使用，同时半导体激光器对温度很敏感，环境温度的波动不仅能引起 供给电流的波动，还会使激光器的阈值电流、量子效率、输出波长和输出功率发生很大 的变化因而对半导体激光器控制器提出了更高的要求 温度对激光器的影响主要有以下几个方面：(1) 温度对阈值电流的影响：随着温度的升高将引起阈值电流的增大，使输出功率下 降从而给控制器的设计带来困难2) 温度对V —I关系的影响：当注入电流相等时，温度高的激光器对应的正向压降也 大，这会给半导体激光器恒流源的设计带来困难3) 温度对输出波长的影响：由于有源层材料的禁带宽度随温度升高而变窄，使激射 波长向长波方向移动，即红移现象。

红移量与器件的结构和有源区材料有关，约为0.2〜 0.3nm/°C因此，可以用适当的温度控制来微调激光的峰值波长，以满足对波长要求严 格的一些应用4) 温度对P—I曲线非线性的影响：理想情况下，半导体激光器的P—I应该是线性曲 线， PN 结过热是产生非线性的原因之一除此之外，来自于有源区中横(侧)模的不 稳定性，来自外部的反射光(如从连接器，尾纤端等部位)以及与光强有关的饱和等因 素也能造成非线性不稳定性除了与激光器本身的结构有关外，还与温度有很大关系 除此之外温度升高还会增加内部缺损，严重地影响器件的寿命，给应用带来很大困难 如果不将所产生的热量移去，将造成一种恶性循环，使激光器很快失效所以工作温度 对于激光器十分重要，必须给激光器提供恒定而且能够精密调整的工作温度，才能保证 激光器具有最大的效率和最小的功率波动［2］3.2.固体激光器的工作原理及优缺点在固体激光器中，由泵浦系统辐射的光能的经过聚焦腔，使在固体工作物质中的 激活粒子能够吸收光能，形成粒子反转，通过谐振腔，从而输出激光 固体激光器的主要优点：(1)输出能量大，峰值功率高在固体激光器中由于中心粒子 的能级结构，能够输出大能量，并且峰值功率高。

这个是固体激光器非常突出的优点2) 结构紧凑耐用，价格便宜和其他类型的激光器的结构逢场简单耐用，同时价格相 对适宜3) 材料种类数量多，固体激光器的工作物质的种类非常多，到目前为止至少有一百多 种，而且大有增大的趋势大量高性能的材料的出现，是固体激光器的性能进一步的提 高固体激光器的主要缺点：(1)温度的效益比较严重，发热量大输出能量大，峰值功率高， 导致热效应十分明显，因此固体激光不得不配置冷却系统才能不过保证固体激光器的正 常连续使用2)温度的效益比较严重固体激光器的总体效率非常低，例如红宝石激光器的为百 分之五至百分之一左右， YAG 激光器的总体效率为百分之一至百分之二在最好的情况 下可接近百分之三［3］4、全固态激光器4.1 全固态激光器简介全固态激光器(DPL, Diode Pumped solid state Laser)是指以半导体激光器作为泵 浦源的固体激光器，相对于只要求工作物质为固体激光材料的传统固体激光器，全固态 激光器的激光工作物质、激励源等部分均由固体物质构成它集半导体激光器和固体激 光器的优势于一体，具有体积小、重量轻、效率高、光束质量好、可靠性高、寿命长、 运转灵便等一系列优点，已成为激光发展中最具前景的方向之一。

而且它可通过变频获 得宽波段输出红外、可见、紫外甚至深紫外激光、便于模块化和电激励等应用优势，已 经广泛应用于科研、医疗、工业加工军事等领域，成为新一代性能卓越的绿色、节能光 源4.2LD 泵浦的全固态激光器的基本原理和基本结构LD 泵浦的全固态激光器用 LD 产生的波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光 作为泵浦源，大大提高了激光器的功率工作物质的泵浦吸收谱线和已有大功率半导体 激光器发射波长相匹配是构成半导体激光器泵浦的全固态激光器的必要条件为了使波 长准确匹配，往往要对半导体激光器进行温控LD泵浦的全固态激光器又可以分为很 多种类，比如连续的、脉冲的、调Q的、锁模的以及加倍频和频等非线性转换的工作 物质形状一般有圆柱形、板条型 LD 泵浦可采用端面泵浦和侧面泵浦两种泵浦形式而这两种泵浦方式又可分别分为直接泵浦和光线耦合泵浦两种形式［3］4.3 直接端面泵浦直接端面泵浦装置简单，由激光二极管发出的泵浦光，经会聚透镜系统会聚到工 作物质上，泵浦光与谐振腔模匹配良好，工作物质对泵浦光吸收十分充分因而阈值功 率低，斜效率高激光二极管发出的激光可近视看作在x和y方向具有不同腰斑半径的 高斯光束，特殊设计的会聚透镜系统将其转换为在x、y方向对称，截面小于谐振腔基 膜束腰的光速进入增益介质，以求与腔模空间最大限度的交叠。

固体工作物质输入端M1 为部分反射镜，位于工作物质输出端 M 、 M 构成全固态激光器是谐振腔图4.112 为半导体激光器直接端面泵浦的全固态激光器示意图图 4.1 半导体激光器直接端面泵浦的全固态激光器示意图4.4 直接侧面泵浦要得到更大功率的激光输出，须采用半导体激光列阵作泵浦源由于列阵发光面积 大，采取侧面泵浦的方式更为合适图 4.2 为直接侧面泵浦的板条式全固态激光器示意 图在全固态激光器工作物质的一侧放半导体激光器阵列，另一侧放全反镜将泵浦光反 馈集中到工作物质中，在有效长度内，工作物质皆可直接吸收到由激光二极管发射的泵 浦光，如果泵浦光的模式较好，泵浦光基本上全部被耦合到工作物质中，耦合损失很小， 从而较易获得大功率输出而且，泵浦光的模式与产生的振荡光的模式关系密切，匹配 效果较好，工作物质对泵浦光利用率也高激光在工作物质中通过侧面全反射传输，使 它经过增益介质的有效长度大于外形长度，从而获得大功率输出但是侧面泵浦也有不 足它的激光最大输出功率受到端面的限制，端面较小时只能用单元的激光二极管作泵 浦原，使泵浦光的最大功率受到局限而用半导体激光阵列作泵浦原，则很难保证泵浦 光的模式优良，且耦合损失较大，降低了效率，而输出光的质量也会受到严重影响。

4.5 光纤耦合泵浦为了提高泵浦光的质量，提高激光器的效率和输出光束的质量，人们发展了光纤耦 合的泵浦方式光纤耦合泵浦是指通过光纤将LD输出的激光送到工作物质上，这种结 构有几个明显的优点：光纤的输出光束呈圆形分布;有助于离激光器光学元件较远的激 光二极管的散热另外，这种方法在更换泵浦原时也较简便目前光纤耦合的泵浦结构 在大功率LD泵浦的全固态激光器中应用很广泛［4-9］4.6 影响全固态激光器效率的因素及解决途径激光发展初期，曾全力以赴提高输出功率但很快发现，在很多重要应用场合，亮 度比输出功率更为重要因为激光的亮度与功率P成正比，与光束质量因子0的4次方 成反比因此，受不良热效应的影响，在某一功率水平下，随输出功率继续增加，由于 光束质量降低，激光的亮度不增反而下降这是长期困扰科技界的一个难题自 1960 年第一台激光器—气体放电灯抽运的固体激光器诞生起，人们就在与伴随 激光而产生的有害热效应进行着不懈的斗争这是一个已经取得了重大成果，但又。