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传统固体激光器
点击次数:291 发布时间:2016-12-28

传统固体激光器

  激光器说白了就是一个波长转换器---波长短的泵浦光激励掺杂离子转换成长波长的光辐射,它一般由3部分组成:工作物质、谐振腔和泵浦系统。由于光纤激光器本质上属于固体激光器,所以在此仅比较一下传统Nd:YAG激光器的特性。

工作物质:

  工作物质是固体激光器的心脏,它的物理性质由基质材料决定,光谱性质由激活离子内的能级结构决定。在YAG单晶体中掺入三价的Nd3+,便构成了目前广泛应用的YAG激光晶体。它主要有如下明显的特点:

  1、YAG棒生长速度很慢,一般小于1mm/h。目前zui大晶体棒的直径为40mm,长180mm,所以激光增益从根本上受到限制,无法实现特高功率激光输出。

  2、工作物质只要是晶体就无法回避激光棒的热透镜效应、热应变和热致双折射现象,严重时出现“激光淬灭”和激光棒断裂;所以,YAG激光器效率很低。

  3、Nd:YAG棒的主要吸收谱线在810nm附近,其带宽约为2nm,所以要严格控制泵浦源的线宽,否则吸收无效反而造成热损耗,所以YAG激光器一般要加庞大的冷却系统。

  4、由于Nd3+半径与Y3+半径不完全相符,Nd3+离子掺入YAG晶体中在结构上存有天生的缺陷造成光学瑕疵,不能够在YAG晶体中掺入高浓度的Nd3+来实现高增益,这同时也是影响激光器光学性能的根本。

  5、处于亚稳态能级的Nd3+离子平均寿命长为300us,其zui佳Q开关重复频率只能是1/300us,即3.3Khz,所以YAG激光器的Q开关一般设定为3-5Khz而无法实现高频工作。

  光学谐振腔:

  传统光学谐振腔主要由工作物质两端镀了膜的两块镜片组成,起着正反馈、选模和输出耦合的作用。比较光纤激光器独特的腔结构,传统光学谐振腔主要有如下特点:

  1、由于是由两块镜片组成,谐振腔受到机械振动、热透镜效应以及晶体棒热焦距扰动影响,从而造成激光无法正常出光,需极为烦琐的调光与监控。

  2、腔镜对灰尘、水分和杂物十分敏感,需经常专业擦拭,否则影响激光功率。

  3、腔长长度与输出功率是一对矛盾,光束质量与激光能量是一对矛盾;只有采取昂贵的选模/锁模腔才可以实现高质量的大功率输出。

  4、从激光晶体激励出来的初始激光不是单模光,而是一束直径为几毫米的光束,必须通过腔镜衰减或选模机制来实现单模输出,从而降低了整体转换效率。

  泵浦系统:

  由于灯泵系统的优缺点广为人知,在此仅谈谈DPSSL的泵浦方式的某些特性:

  1、由于DPPSSL主要是在泵浦系统上稍作改进,它只能缓解激光棒热效应,而无法从本质上根除晶体激光器的这个弊病。

  2、需严格控制LD的波长在808-812nm之间,要么加冷却系统,要么加波长锁定器,这是由于Nd:YAG晶体光谱特性所决定的。

  3、如泵浦光聚焦在几毫米的晶体端面进行端泵,一是无法实现高功率输出;二是泵浦光不能太强,否则膜层可能脱落,晶体棒无法及时散热,甚至出现棒畸变。

  4、如泵浦光对晶体进行侧面泵浦,则一般为多模输出,如不采取专门措施,无法提高光束质量。

  5、LD直接发射出的激光为高度高斯像散光束,在进行端泵时需增加各种光学元件把泵浦光校准、聚焦在晶体上,这些附加的光学器件必将受到机械振动、灰尘和潮湿的影响,从而降低转换效率。

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