大功率二极管泵浦固体激光器的应用和发展

第9卷第1期2001年2月

================================================================文章编号

1004-924X(2001D01-0006-04

光学精密工程

0PTICSANDPRECISI0NENGINEERING

Vol.9 No.1

Feb. 2001

大功率二极管泵浦固体激光器的应用和发展

郑权1 赵岭2 钱龙生1

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 吉林长春130022D

(2.中国科学院上海光学精密机械研究所 上海201800D

摘要:从二极管泵浦固体激光器(DPSSLD的优势出发 指出了DPSSL向大功率方向发展并在某些领域取代其他类型激光器的趋势;概括介绍了大功率DPSSL的诸多应用领域和广阔的市场前景;并深入分析了实现大功率DPSSL输出的几种成功方案;指出了国内及早进行大功率DPSSL研究的紧迫性0关键词:二极管泵浦;固体激光器;大功率中图分类号:TN248.34

文献标识码:A

发射波长 使其峰值发射波长与激活粒子的吸收

1

引言

带理想地匹配 因而泵浦效率比灯泵浦高许多0一般来说 LD/LDA的电光转换效率为30-50% 至Nd:YAG上的光光转换效率为40%左右0这样 LD/LDA泵浦的Nd:YAG激光器总体效率在10%以上0

其次 LD/LDA泵浦的固体激光器的噪声特性好~频率稳定0由于不存在液体或气体工作物质的流动起伏噪声和泵浦灯的等离子体波动噪声 使得DPSSL的辐射噪声特性比灯泵浦优一阶以上0

另外 DPSSL具有的热光畸变小~光束质量好~稳定性好~寿命长(达10000-20000小时D~结构简单~体积小等特点 也是其它类型激光器所不能比拟的0

德国著名的工业激光公司Rofin-Sinar认为 在未来的2-5年内 DPSSL将取代灯泵浦的固体激光器0但也有专家认为 灯泵浦的高功率固体激光器比DPSSL更可靠0

现在的实际情况是:在中小功率范围内 DPSSL已在逐步取代灯泵的固体激光器~可见和紫外Ar+激光器~~e-Cd激光器;在大功率范围内 kW级的DPSSL正在逐步拓展应用领域 向大功率的灯泵固体激光器和横流/轴流C02激光器提出挑战0

自从1960年第一台红宝石激光器问世以来 固体激光器一直就处于研究工作的中心地位0进入20世纪80年代 半导体激光器(LD:LaserDiodeD及其列阵(LDA:LaserDiodeArrayD研究工作的巨大进展极大地推动着固体激光器件~技术及应用的发展0在此基础上出现的二极管泵浦的固体激光器(DPSSL:DiodePumpedSolid-stateLaserD因具有效率高~热效应小~器件结构紧凑~能获得高功率和高光束质量输出等优点 日益成熟 成为光电子行业增长最快 最令人瞩目的领域之一0特别是大功率的DPSSL在军事~医疗~科研等诸多领域有重要的用途 近年来成为国际上竞相研究开发的热点0

2

DPSSL的优势

与传统的闪光灯相比 采用LD/LDA作泵浦源的最主要的优点是效率高0以掺钕(Nd3+D激光器为例 由于泵浦灯很宽的辐射光谱与钕离子吸收带匹配不好 通常灯泵浦的Nd:YAG激光器总效率低于3% 并且大功率下热效应明显 光束质量和稳定性差0而LD/LDA的发射谱线要窄许多(仅约1.5nmD 还可以通过温度调谐来改变其

收稿日期:2000-10-31;修订日期:2000-11-06

基金项目:国家 高科技计划资助项目(863-307-22-51D863

1期

郑

权 等:大功率二极管泵浦固体激光器的应用和发展

7

3

DPSSL的发展方向

目前 DPSSL的发展方向主要有三个:

一是高功率输出O文献[1]报道了LDA泵浦

2-6kW大功率DPSSL应用于汽车部件焊接O它比同功率的CO2激光焊接机的体积小~速度快O在微电子领域 输出为10W以下的单模DPSSNd:YAG激光器已广泛用于激光微调机中O二倍频的DPSSL在微电子工业中也有许多的应用O

三倍频的DPSSNd:YVO4激光器输出功率1W(TEMOO模D 光束发散角小于0.5m1ad 峰值不稳定度低于5% 目前已取代紫外A1+和he-Cd激光器用于激光快速成型O

Nd:YAG激光器在1064nm连续输出达3.3kW 532nm连续输出达400W 基模运转可达200W以上O根据按比例放大原则 其输出功率可超过5kW达到万瓦量级 并有可能成为激光核聚变的驱动器能源O

二是可见波段输出O经过倍频~混频和参量振荡等技术 DPSSL在红~黄~绿~蓝~紫(如波长为670nm~660nm~656nm~627nm~594nm~532nm~473nm~457nm~454nm~451nm~430nmD等各波段均已获得激光输出 而且多数连续波输出功率都在瓦级以上[2]O

三是紫外波段输出ODPSSL经过三倍频~四倍频后已经获得功率数瓦的紫外激光O例如 日本三棱电子公司最近研制出波长为266nm~平均功率达20.5W~重复频率为10khz的全固体紫外激光器O其中绿光注入功率为105.8W~转换效率为19.4% 没有出现饱和及光损伤现象[3] 提高绿光注入将得到更高的紫外输出O

总观三个方面 高功率输出是关键 它也是获得大功率可见波段和紫外波段激光输出的前提O应该说 高功率DPSSL的出现是与高功率的LDA飞速发展相伴的O目前 美国光谱二极管实验室公司已经有OCW6000W(尺寸:10>19.6mm2D的LDA出售OLDA实现了高功率密度(达2.5kW/cm2D~高电光转换效率(达50%D和长寿命(大于4>109次发射DO另外 由于2.5kW的二极管激光阵列的孔径只有1>1cm2 因此 可以在10>40cm2的口径上堆迭起1MW功率的LDA 用以泵浦钕玻璃圆盘 也可以多条LDA在周围泵浦激光棒O而且 高功率的LDA价格日渐下降 为高功率DPSSL的进一步发展和普及应用创造了条件O

4

大功率DPSSL的应用

大功率的DPSSL有着广阔的应用前景 主要包括:

(1D材料加工:包括常规的激光加工~微加工~精密加工等O

目前 德美等发达国家已经将2kW和

(2D同位素分离

高功率二倍频DPSSL(绿光D可取代A1+激光器和Cu蒸气激光器进行同位素分离 体积小 难度低O

(3D激光核聚变

高功率的DPSSL预计可成为工业电力激光器 也是激光核聚变电厂驱动器的可行候选者[4]O日本已完成利用大功率DPSSL建立高阳激光核聚变发电厂的可行性研究工作 认为从原理上讲已经没有障碍 仅仅有待于技术上的改进和成本下降O

(4D科学研究

大功率的DPSSL在科学研究中有很多用户 例如作为锁模掺钛蓝宝石激光器的泵浦源 已基本取代A1+激光器O

(5D另外 大功率的DPSSL在医疗~检测~分析~通讯~投影显示以及军事国防等领域也有极其重要的应用价值O

5

大功率DPSSL的实现方案

目前 较为成功的大功率DPSSL的实现方案有以下几种:5.1

端面泵浦瓦级连续波输出的DPSSL方案:实验证明 采用折迭腔结构较直腔要好[5]O这

种腔的优点是将基频光与倍频光分开 从而避免了激光晶体对倍频光的吸收O同时可产生两个束腰 将激光晶体与倍频晶体分别放在两束腰处 可获得较大的泵浦光功率密度和较高的倍频转换效率O

折迭腔一般还包括两种:一种是三镜腔结构 或称作V形腔结构(如图1AD 这种腔存在像散 输出的激光光斑是椭圆的 一般可以用布儒斯特角放置的波片进行像散补偿 兼有选模的作用O另一种是四镜腔结构 又称为Z形腔结构(如图

8

光学精密工程

9卷

1B) 该结构可以输出圆光斑 但调整较为复杂

,

与第三种结构类似的 可以采用多个LDA对称分布放置于Nd,YAG周围的方法 也可获得(a)V-Shaped

cavity

(b)Z-Shapedcavity

Fig.1

Schematicoffoldedcavity

折迭腔装置同样也适用于侧泵浦情形,例如 美国LLNL国家实验室在1992年曾采用折迭腔方式 用微通道冷却高功率LDA双侧泵浦 实现了大于1kW~占空比为35%~光光转换效率25%的激光输出[6],s.z

侧面泵浦的百瓦 千瓦级准连续输出的DPSSL方案

近年 国外研究人员曾非常完善地安排研究过许多结构,最成功的高平均功效率装置有[7],

(1)用光纤耦合LDA泵浦Yb,YAG圆盘;(2)用光纤耦合LDA泵浦Nd,YAG棒;(3)用堆迭LDA直接泵浦Nd,YAG棒,

其中 第三种结构是可按比例放大到5kW以上功率输出的较好结构,其激光器系统如图2示

,

Fig.2YAGrodpumpeddirectlybypiledLDA

一般采用对称平平谐振腔结构 Nd,YAG棒置于陶瓷腔内 用水冷却 堆迭式LDA直接对称地安装于陶瓷腔一侧,

高功率输出(如图3)

,

Fig.3ManyLDASplacedaroundtheYAGrod

当然 也可以采用级联放大的方法(如图4),除功率大以外 其优点还包括激光晶体中产生的热应力双折射可通过在对称光路位置上引入90度石英旋转器而补偿,有实验证明[8] 在玻璃棒之

间使用90度石英旋转器 原先约为10%的热感应双折射损耗已被补偿 降低到1%,这种补偿技术对大功率二极管泵浦的激光器是有益的

,

Fig.4HighpoWergainedbySerialYAGrodS

6

展望

目前 国外千瓦级的大功率DPSSL已进入工业和国防等领域的实用阶段 正在形成产业 更高功率的DPSSL的科研成果和产品源源不断地涌现,

相比之下 我国在低功率DPSSL(P<200mW)技术比较成熟 在产业化方面也正蓬勃发展 因产品售价低廉 已占领了国际市场的大半份额,瓦级DPSSL实验室成果近几年国内也有少量报道 但未能形成产品 离产业化还有很大差

距,至于百瓦和千瓦级的DPSSL器件 由于缺少高功率的LDA等原因 国内尚未开展这方面的研究工作,

至1999年6月 国内的北京半导体所~上海

1期

郑

权 等:大功率二极管泵浦固体激光器的应用和发展

9

光机所和石家庄电子13所等单位先后研制成功1 -12 W的连续和准连续二极管阵列 为以后国内开展大功率DPSSL的研究工作奠定了基础O参考文献:

[1][2][3][4][5][6][7][8][9][1 ][11][12][13][14]

面对国际上千瓦级DPSSL器件性能的不断

提高和我国的国情 及早进行大功率DPSSL的研究有着重大的理论和应用价值 早日实现其产业化也将带来巨大的经济和社会效益O

从征.两种输出3.3kW的二极管抽运固体激光器[J].激光与光电子学进展 2 (2D:46-47.友清.可见光固体激光器的新进展[J].激光与光电子学进展 1999 (3D:11-15.

於祖兰.输出功率2 .5W的紫外全固态激光器[J].激光技术 2 24(2D:89.

从征.二极管泵浦固体激光器的发展及其在激光核聚变和工业上的应用[J].激光与光电子学进展 1999 (3D:1-7.

何京良 王建明 侯玮 赵宗源.激光二极管泵浦Nd:YVO4/LBO腔内倍频瓦级连续波绿激光器[J].光学学报 1998 18(7D:862-865.

吕百达 邵怀宗 林菊平 代明.高功率二极管泵浦固体谐振腔的进展和分析[J].激光技术 1997 21(6D:36 -364.友清.二极管泵浦的千瓦级固体激光器[J].激光与光电子学进展 1999 (3D:7-11.

8-WTEMoooperationofadiode-pumpedNd:YAG~iranoY KoyataY YamamotoS KasaharaK TajimeT.2

D:679-681.rodlaser[J].OPTICSLETTERS 1999 24(1

刘伟仁 钱龙生 余锦.LD泵浦的紧贴式产业化固体绿激光器的研究[J].光学精密工程 1999 7(2D:21-25. GollaD KnokeS SchoneW ErnstG BodeM.3 Wcwdiode-laserside-pumpedNd:YAGrodlaser.OPTICS(1 D:1148-115 .LETTERS 1995 2

SumidaDavidS BetinAlexanderA Bruesselbach~ans ByrenRobert.Diode-pumpedYb:YAGcatchesupwith.Nd:YAG[J].LaserFocusWorld 1999 (7D:63-7

TeiK KatoM NiwaY ~arayamaS.Diode-pumped25 WZigZagslabNd:YAGoscillator-amplifiersystem[J].OPTICSLETTERS 1998 23(7D:514-516.

刘伟仁 钱龙生 余锦.LD泵浦的473nm全固体蓝激光器[J].光学精密工程 2 8(2D:133-135.

~oneaEricC EbbersCA BeachRJ SpethJA SkidmoreJA.Analysisofanintracavity-doubleddiode-pumped O-switchedNd:YAGlaserproducingmorethan1 Wofpowerat532nm[J].OPTICSLETTERS 1998 23(15D:12 3-12 5.

Applicationanddevelopmentofhighpowerdiode-pumpedsolid-statelaser

121

Z~ENGOuan Z~AOLing OIANLong-sheng

(1.Changchunfnstztuteofoptzcs FznemechanzcsancPhyszcs

22 Chzna ChzneseAcacemyofsczences Changchun13

2.shanghazfnstztuteofoptzcsancFznemechanzcs

18 ChznaDChzneseAcacemyofsczences shanghaz2

stract:Basedontheadvantagesofdiode-pumpedsolid-statelaser(DPSSLDoverothers thetrendsA

thatDPSSLadvancestowardshighpowerandwouldtakeoverotherlaserswerepointedout.Thewideapplicationfields aswellasthebrightmarketfutureofhighpowerDPSSLwerealsointroduced.SomesuccessfulschemesforobtaininghighpoweroutputwereanalyZedindetail.It sveryimportanttodoresearchonhighpowerDPSSLassoonaspossibleforourcountry. e words:diode-pumped solid-statelaser highpower

作者简介:郑权(1973-D 男 现在中国科学院长春光机所攻读博士学位 主要从事大功率及高性能全固体激光器的研究O

大功率二极管泵浦固体激光器的应用和发展

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

郑权， 赵岭， 钱龙生， ZHENG Quan， ZHAO Ling， QIAN Long-sheng

郑权,钱龙生,ZHENG Quan,QIAN Long-sheng(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,)， 赵岭,ZHAO Ling(中国科学院上海光学精密机械研究所,)光学精密工程

OPTICS AND PERCISION ENGINEERING2001,9(1)17次

1.从征 两种输出3.3kW 的二极管抽运固体激光器 2000(02)2.友清 可见光固体激光器的新进展 1999(03)

3.於祖兰 输出功率20.5W的紫外全固态激光器 2000(02)

4.从征 二极管泵浦固体激光器的发展及其在激光核聚变和工业上的应用 1999(03)

5.何京良;王建明;侯玮;赵宗源 激光二极管泵浦Nd：YVO4/LBO腔内倍频瓦级连续波绿光激光器[期刊论文]-光学学报 1998(07)

6.吕百达;邵怀宗;林菊平;代明 高功率二极管泵浦固体谐振腔的进展和分析 1997(06)7.友清 二极管泵浦的千瓦级固体激光器 1999(03)

8.Hirano Y;Koyata Y;Yamamoto S;Kasahara K Tajime T 208-W TEMoo operation of a diode-pumpedNd:YAG rod laser[外文期刊] 1999(10)

9.刘伟仁;钱龙生;余锦 LD泵浦的紧贴式产业化固体绿激光器的研究[期刊论文]-光学精密工程 1999(02)10.Golla D;Knoke S;Schone W;Ernst G,Bode M 300W cw diode-laser side-pumped Nd :YAG rod laser1995(10)

11.Sumida David S;Betin Alexander A;Bruesselbach Hans;Byren Robert Diode-pumped Yb:YAG catchesup with Nd:YAG 1999(07)

12.Tei K;Kato M;Niwa Y;Harayama S Diode-pumped 250W zigzag slab Nd:YAG oscillator-amplifiersystem[外文期刊] 1998(07)

13.刘伟仁;钱龙生;余锦 LD泵浦的473nm全固体蓝激光器[期刊论文]-光学精密工程 2000(02)

14.Honea Eric C;Ebbers C A;Beach R J;Speth J A,Skidmore J A Analysis of an intracavity-doubleddiode-pumped Q-switched Nd:YAG laser producing more than 100W of power at 532nm[外文期刊]1998(15)

1. 宋小鹿 二极管泵浦固体激光器若干重要问题的研究[学位论文]2009

2. 王小军.WANG Xiao-jun 二极管泵浦高能固体激光器中的光热耦合现象[期刊论文]-强激光与粒子束2008,20(5)

3. 刘喜斌.丁卫平.Liu Xi-Bin.DING Wei-Ping 激光二极管泵浦全固体激光器(DPSSL)的发展与应用[期刊论文]-湖南理工学院学报（自然科学版）2005,18(3)

4. 文建国.吴伟.王石语.蔡德芳.过振 二极管泵浦固体激光器实用化研究[期刊论文]-西安电子科技大学学报(自然科学版)2003,30(4)

5. 刘媛.方高瞻.马骁宇.肖建伟 大功率二极管泵浦固体激光器[期刊论文]-激光与红外2002,32(3)6. 黄峰.汪岳峰.王金玉.牛燕雄 高重频固体激光器在光电对抗中的应用研究[期刊论文]-红外与激光工程2003,32(5)

7. 谢国强 激光二极管泵浦的固体激光器研究[学位论文]2007

8. 程勇.CHENG Yong 免调试固体激光器研究与进展[期刊论文]-红外与激光工程2006,35(3)9. 郭龙成 二极管泵浦固体激光器中晶体热效应的研究[学位论文]2010

10. 赵长明.赵彬.何建伟.ZHAO Chang-ming.ZHAO Bin.HE Jian-wei 太阳光泵浦固体激光器及其空间应用[期刊论文]-红外与激光工程2006,35(z3)

1.雷翔.董理治.杨平.晏虎.刘文劲.王帅.许冰 板条增益介质波前畸变诊断方法[期刊论文]-强激光与粒子束 2012(7)

2.李莉.齐晓慧.刘秉琦.李刚.毛少娟.徐春梅.王元铂 LD泵浦Nd:YAG连续激光器转换性能实验研究[期刊论文]-物理实验 2009(11)

3.杨涛.何叶.刘婷婷 大功率激光二极管列阵的硅基微通道热沉研制[期刊论文]-光学精密工程 2009(9)4.田玉冰.檀慧明.田智辉.李义民 四程抽运Yb:YAG薄片激光器[期刊论文]-光学精密工程 2008(3)

5.朱忠丽.钱艳楠.刘景和.万玉春.张亮 激光二极管泵浦Nd:NaY(WO4)2晶体的激光性能[期刊论文]-硅酸盐学报 2007(8)

6.肖孟超.姜耀亮.檀慧明.钱龙生 一种基于高斯光束的平凹激光腔对准方法[期刊论文]-光学精密工程2006(5)

7.吴伟辉.杨永强 半导体泵浦激光器在选区激光熔化工艺中的应用研究[期刊论文]-机电工程技术 2006(11)8.陈浩.闫长春.王占新.曾和平 离轴切割Nd:YVO4晶体的激光特性[期刊论文]-中国激光 2006(6)

9.刘喜斌.丁卫平 激光二极管泵浦全固体激光器(DPSSL)的发展与应用[期刊论文]-湖南理工学院学报（自然科学版） 2005(3)

10.李隆.田丰.赵致民.田来科.张伟.白晋涛.侯洵 LD端面泵浦折叠腔Nd∶YVO4/LBO激光器[期刊论文]-光子学报 2004(4)

11.郭明秀.张同.沈冠群.陆雨田.潘涌 单个激光二极管对称侧向抽运的固体激光器[期刊论文]-光学学报2003(11)

12.周佳凝 高功率全固态Nd:YAG/KTP红光激光器的研究[学位论文]硕士 2005

13.王成.方志丹.李晓英.刘瑞斌.李春明 激光二极管泵浦的全固体激光器[期刊论文]-长春光学精密机械学院学报 2001(1)

14.谭成桥 LD泵浦全固态紫外激光器的研究[学位论文]硕士 2005

15.王金定 小型增益开关Nd：YVO<,4>/KTP绿色激光器的研究[学位论文]硕士 200616.解慧明 LD侧泵高功率全固态532nm、355nm激光器研究[学位论文]博士 2006

17.黄志云 Yb<'3+>微片激光和不同泵浦方式Nd<'3+>激光的理论分析[学位论文]博士 2005

引用本文格式：郑权.赵岭.钱龙生.ZHENG Quan.ZHAO Ling.QIAN Long-sheng 大功率二极管泵浦固体激光器的应用和发展[期刊论文]-光学精密工程 2001(1)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/p7ej.html