板条激光放大器能量转换效率高

采用阵列二极管泵浦激光作为抽运光束最大的优点就是能量转换效率高,这方面灯泉浦是完全无法比拟的。效率高的根本原因是工作物质的吸收波长可以和半导体二极管发射波长完全重合。比如掺钕激光器,由于钕离子的吸收带与灯泵浦具有的宽福射光谱匹配非常不好,Nd:YAG激光放大器采用灯泵浦时的总效率通常低于3%,光束质量差稳定性差,并且大功率下热效应极其明显。而半导体激光二极管的发射谱线束质量差稳定性差,并且大功率下热效应极其明显。而半导体激光二极管的发射谱线则非常窄,并且通过温度调谐还可以改变发射波长,使其激活粒子的吸收带和峰值发射波长实现理想匹配,因此泵浦效率要比灯泵浦高很多。

板条激光放大器系统稳定可靠,寿命长

在连续工作时激光二极管阵列发射约10^9次脉冲,其寿命大约是1000小时。闪光灯在工作时发射约10^8次,寿命大约是500小时。另外半导体激光器由于输出功率稳定性好,使半导体激光二极管泵浦板条激光器的不稳定度一般保持在1%以内。

板条激光放大器热效应低

光束输出特性好、质量高、频率稳定,由于二极管泵浦固体激光器(DPSSL) '发射波长良好匹配与钕离子吸收带,使得激光中耗散的热量非常小，有利于激光放大器散热，从而使热光畸变和热透镜效应大为降低,很大程度的改善光束质量。另外,二极管激光具有良好的方向性,使得有希望设计出优质的谐振腔,其低阶模与泵浦辖射光谱良好交叠,进而发射高亮度的输出光束。

板条激光放大器紧凑性、多样性

板条激光放大器具有体积小、结构简单等优点,输出光束具有方向好、发散角小的特点,进而可以设计出许多优良的新型固体激光器,如光纤激光器、微芯片激光器和端面泵浦系统等,而且许多很有用的材料如Yb:YAG、Tm:YAG和Nd:YAG等,只有在激光二极管(LD)泵浦作用下才可以显示出其强大的优势。其次,准连续激光二极管除了连续弧光灯和闪光灯所具有的连续运转特性和低重复率外,还可以保证固体激光器产生的脉冲运转重复率范围在几百至几千赫兹内。

固体增益介质基质材料最常见的主要有玻璃和晶体两种。体积可以做得非常大，是玻璃作为基质材料最大的优点,尤其在激光高功率运作中有着极大的优势。通常情况下，玻璃基质作为激光材料吸收谱线比晶体基质的更宽,并且掺杂的均匀性和光学质量也要更好些。工作物质以晶体作为基质则有硬度较大、荧光谱线窄、热导率好等优点。

玻璃有许多其它的不同于固体激光器基质材料的特点。它在光学特性上是各向同性的,能够掺进其它杂质,并且能保证浓度很高掺杂度非常均勾，物理特性好，可能做成各种形状多种尺寸。掺入适量的Nd2O3在一些成分的光学玻璃中可以制作成钕玻璃,一般是酸盐玻璃和硅酸盐。大量掺钕的激光玻璃取决于玻璃网络形成物和网络调节离子的成分，在很多激光玻璃中，只有硅酸盐和磷酸盐因其合格的光学、机械和化学特性而具有商业价值。钕酸盐主要有非线性折射率相对小、受激发射截面大等特征,其截面大小比类似的硅酸盐一般要大1/2,聚变研究的大型激光系统己经大量应用钕磷酸盐玻璃介质。早期闪光灯泵浦的钕玻璃板是板条激光器的研究工作焦点因为钕玻璃具有高储能、荧光寿命长等良好优点,高功率激光器常用钕玻璃作为基质材料。而且非常适于制作超短脉冲锁模器件,因为钕玻璃有很宽的荧光线宽;但钕玻璃也有很大的缺点，就是热导率低，热膨胀系数大，热导率只有Nd:YAG晶体的十分之一左右,不适于高重复频率连续工作。但运动钕玻璃板条激光器和二级管泵浦的相继出现,钕玻璃已可使用于高功率高重复频率的激光系统。

掺钕钇铝石榴石晶体Nd:YAG则是现今研究最为成熟应用最广泛的激光材料了。因为其很多良好的优势,广泛应用于YAG激光器中,已经占据占整个固体激光器的90%左右,不管是闪光灯泵浦和半导体二极管泵浦。Nd:YAG属于立方晶系,各向同性的光学特性,不存在自然双折射,是一种硬度很高的晶体,有优良的热物理性能,热导率高散热快,熔点约为1970°C; Nd:YAG激光器主要在1.064um 附近产生振荡光谱,振荡谱线宽度范围大约为零点几埃到1埃,谱线窄,光束能量非常集中;在基态能级之上激光跃迁的低能级有足够高的位置,因此基本上可以忽略玻尔兹曼分布在该能级上的粒子数,可看作比较理想的四能级系统,该能级系统非常有利于激光器的高重复率的长时间连续工作;在Nd:YAG中不需要电荷补偿,这是由于三阶钕代替了三价钇;在生长方面,高质量大尺寸的晶体也可以用提拉法很容易生长出,Nd:YAG早已代替早期的钕玻璃成为大多数板条激光器的研究重点。同时Nd:YAG晶体ii玻璃相比具有良好的热特性,使板条性能得到极大的改善,而板条的传导冷却之门才得以开启也正是利用了二极管泵浦技术和Nd:YAG板条的这一优点。

另一种也己经出现几十年的激光晶体Yb:YAG,

掺钕的钒酸钇是一种和Nd:YAG性质类似的激光晶体,它是四方晶体和单轴晶系。Nd:YVO₄虽然荧光寿命只有Nd:YAG的42%,但在1.06tim处有很大的受激发射截面,达到.Nd:YAG的四倍之多,这意味着其激光增益相比较高,光寿命与激光增益的乘积值仍然是高于Nd:YAG晶体,因此激光泵浦的阈值较低; Nd:YVO₄特别适合于LD泵浦,因为它的吸收峰值很高,在808nm附近的吸收带宽大约20nm,达到Nd:YAG的五倍之多。高双折射率是Nd:YVO₄晶体的另外一个优点,因此易产生偏振光输出,在Nd:YAG容易出现的热致双折射现象也可避免发生,大大改善了光束质量。Nd:YVO₄晶体的缺点也很明显,在调Q输出脉冲中单脉冲能量较低,能量存储能力比较低,激发态的寿命较短,不过高重复频率器件倒可以很好的利用到短寿命适这一性质;另外一个缺点是导热性差,热量容易集中,散热效率低,大功率泵浦下热透镜现象、热畸变现象非常严重,机械性能也不如Nd:YAG,不适于灯栗。在生长性上,也难生长出大尺寸晶体。正因为这些缺点,在高平均功率下限制了它的作用发挥,但对中小功率LD录浦连续波激光器,仍是非常理想的增益介质,在端面泵浦的板条激光器结构中比较常见这种板条状介质。

采用激光二极管抽运的固体激光器，具有效率高、光束质量好、工作稳定、体积小和质量轻等优点，尤其它是一种电激励激光器，使用成本和维护的复杂性较低，在工业加工、医疗卫生、科学研究等领域的应用前景非常广阔。传统的高能固体激光器采用棒状激光介质，激光介质热效应严重，输出光束质量较差。为了克服热效应的影响，科研人员提出了多种激光介质构型的固体激光器，如板条、薄片和光纤等方案。其中板条激光器沿“之”字型光路传输的激光可以消除一阶热聚焦和热致双折射效应，能够获得较好的光束质量和较高的输出功率。2001年，科研人员结合薄板条大面积传导冷却和端面抽运技术提出了传导冷却端面抽运板条激光器方案。2005年，Northrop Grumman公司采用4个板条激光增益模块双程放大和自适应光学主动控制后实现了单路功率15kW、光束质量(BQ)1.5倍衍射极限的激光输出，且稳定运转22min后光束质量无明显下降。2009年，Northrop Grumman公司的板条固体激光器采用7个15kW的放大模块相干合成，获得BQ优于3、激光功率105kW 激光输出，由此可以证明板条激光器具有作为高功率激光器的潜力。

国内已经有许多学者对高功率固体板条激光器进行了深入的理论分析和实验研究，如胡浩等报道了千瓦级二极管激光侧面抽运Nd：YAG板条激光器；王超等报道了输出功率11kW 的高功率固体板条激光器介质热分析；刘亮等报道了传导冷却端面抽运板条放大器波前畸变的数值研究。然而由于存在激光增益模块的波前畸变较大和激光放大器提取效率低等问题，难于获得高光束质量和高效率激光输出。

自上世纪六十年代固体激光器应世,开创了激光研究应用的新时代,激光成为20世纪最重要的科技成果之一。经过几十年的蓬勃发展与科研工作者的艰苦努力,各类各样的激光器己经推陈出新,如固体激光器,气体激光器,气体离子激光器,气体分子激光器,气体准分子激光器,光纤放大器,半导体激光器,二极管泵浦固体激光器等其中,二极管泵浦板条激光放大器由于系统稳定可靠,寿命长,能量转换效率高,热效应小,输出光束特性良好、频率稳定、质量高等大量优点而获得广泛应用。尤其是大功率的板条激光放大器,在科研、军事、医疗等领域都发挥着重要作用。

板条激光放大器高能固体激光器的发展及现状

固体激光器是指增益介质为固体材料的激光器，自 1960 年首台激光器诞生以来，许多国家都投入了巨大的人力和财力对该技术进行研究。经过半个多世纪的发展，固体激光技术不仅没有被时代淘汰，反而不断推陈出新，在介质种类、泵浦方式、工作波长、时间特性、频谱特性、腔型结构、冷却方式、掺杂形式等技术领域都涌现出大量新颖的方案与理念，并一步步地由实验室研究走向市场应用。

板条激光放大器由激光工作晶体介质、栗浦光源、冷却系统和谐振腔四部分组成。激光工作物质在粟浦光的照射过程中，泵浦光部分能量将转化为工作物质的热量。其主要原因有：

(1)激光上能级和泵浦带间的能量差以热量的形式部分散逸到基质中，引起常说的量子亏损热；同样的原因,激光下能级和基态间的能量差也会在基质中产生热耗散；

(2)激光运转过程中突光过程的量子效率小于1,包含激光跃迁自发辖射在内,因为粹灭机制而产生热量；

(3)闪光灯或弧光灯的粟浦光谱线很宽,分布在红外和紫外谱带的成分被固态激光器中介质吸收后转变成热。

如果放大器光学表面的反射能够引起足够的反馈,放大器就会在信号脉冲到达前发射激光, 这就是放大器的自发辐射(ASE), 工作介质边缘的内反射能显著增大自发辐射, 当这些反射能导致产生封闭路径时自发辐射现象更为严重, 并且得到强的反馈机理, 当激光介质内的增益超过损耗时, 就建立起寄生振荡。寄生振荡对激光器和激光放大器的性能有很大影响, 对于放大器而言, 寄生振荡的存在使得放大器在信号光到达之前就消耗了大量的反转粒子数, 降低了晶体的峰值增益和存取效率, 影响了激光放大器尤其是高功率激光放大器的性能, 因此消除激光器工作物质内的寄生振荡对提高激光器的功率有着很重要的意义。