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二极管泵浦的固态激光器和光纤激光器
时间: 2019-03-20 13:45 浏览次数:
二极管泵浦的固态激光器和光纤激光器 高功率半导体激光器的进步,也使下游激光器技术得到了发展,其中作为典型的是半导体激光器用于激发(泵浦)掺杂晶体(二极管泵浦固态激光器

二极管泵浦的固态激光器和光纤激光器

  高功率半导体激光器的进步,也使下游激光器技术得到了发展,其中作为典型的是半导体激光器用于激发(泵浦)掺杂晶体(二极管泵浦固态激光器)或掺杂光纤(光纤激光器)。

  虽然半导体激光器提供高效、小型、低成本的激光能量,但是它也存在两个关键限制:它们不储存能量并且其亮度受限。基本上许多应用需要有用的两种激光器;一种用于将电力转换为激光发射,另一种用于增强该发射的亮度。

  二极管泵浦的固态激光器。在二十世纪八十年代晚期,使用半导体激光器泵浦固态激光器开始在商业领域赢得了极大兴趣。 二极管泵浦固态激光器(DPSSL)极大地减少了热管理系统(主要是循环冷却器)和增益模块的尺寸和复杂性,历史上增益模块曾使用弧光灯来泵浦固态激光晶体。

  基于与固态激光器增益介质的光谱吸收特征的交叠,来选择半导体激光器的波长,这与弧光灯的宽带发射光谱相比,能显著降低热负荷。考虑到发射1064nm波长的钕掺杂激光器的普及,808nm的半导体激光器长成为20多年来半导体激光器生产中产量最大的产品。

  随着多模半导体激光器亮度的提高,以及在本世纪第一个十年中期使用体布拉格光栅(VBG)稳定窄发射线宽的能力成为可能,第二代改进的二极管泵浦效率得以实现。880nm左右的较弱和光谱窄吸收特性,引起了人们对光谱稳定的高亮度泵浦二极管的极大兴趣。这些更高性能的激光器使直接泵浦钕的上激光能级4F3/2成为可能,能够减少量子亏损,从而改善平均功率更高时的基模提取,否则将受到热透镜的限制。

  到本世纪第二个十年早期,我们目睹了单横模1064nm激光器,以及在可见光和紫外波段工作的其频率转换激光器的显著功率提升趋势。鉴于Nd:YAG和Nd:YVO4较长的上能态寿命,这些DPSSL的调Q运行提供高脉冲能量和高峰值功率,非常适合烧蚀材料加工和高精度微加工应用。

  光纤激光器。光纤激光器提供高性价比的方式来转换高功率半导体激光器的亮度。尽管波长复用光学器件可以将相对低亮度的半导体激光器转换为更亮的激光器,但这是以增加光谱宽度和光机械复杂性为代价的。光纤激光器已证明在亮度转换中特别有效。

  举例来说,比较以下最佳的激光器:其中~5kW的976nm泵浦功率来自于400μm和0.46NA的光纤(95mm-mrad的光束质量),相当于0.55W/(mm-mrad)的泵浦亮度。该泵浦光由光纤激光器转换为~4kW的1064nm光束,从20μm和0.06NA的光纤输出,其亮度为11,098W/(mm-mrad)。光纤激光器提供的亮度增强>20,000倍,或者超过四个数量级!

  20世纪90年代推出的双包层光纤,使用被多模包层包围的单模纤芯,可以有效地将更高功率、更低成本的多模半导体泵浦激光器导入到光纤中,从而创造出一种更经济的方法,将高功率半导体激光器转换为更亮的光源。对于掺镱(Yb)光纤,泵浦激发以915nm为中心的宽吸收带,或在976nm附近的较窄吸收带。随着泵浦波长接近光纤激光器的激射波长,所谓的量子亏损得以减少,从而使效率最大化并且使需要耗散的废热量最小化。

  光纤激光器和二极管泵浦固态激光器,都依赖于二极管激光器亮度的提升。一般来说,随着二极管激光器的亮度不断进步,它们泵浦的激光器的功率也随之提升。半导体激光器的亮度改进倾向于促进更高效的亮度转换。

  正如我们期待的那样,空间和光谱亮度对于未来的系统来说将非常必要,这将使固态激光器中窄吸收特征的低量子亏损泵浦、以及用于直接半导体激光器应用的密集波长复用方案成为可能。

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