在为固体激光器提供能量的泵浦源方面,固体激光器发展的早期普遍采用技术较为成熟的闪光灯来泵浦。然而灯泵激光器自身存在效率低、热效应严重、体积庞大等问题,进入八十年代以来发展缓慢,逐渐被以半导体激光二极管(Laser Diode, LD)为泵浦源的固体激光器所取代。随着半导体量子阱结构、LD堆栈等几项重要技术突破的产生,以及半导体材料生长技术的日趋成熟,LD的各项性能不断提升,同时成本不断降低,推动了二极管泵浦固体激光器,尤其是二极管泵浦板条激光器的飞速发展,具有高功率、高亮度等优异性能的激光器不断涌现,在工业、医疗、军事、科研等领域均获得了广泛的应用,发挥着重要的作用。
在侧面泵浦结构中,泵浦光从垂直于冷却表面和激光传播平面的另一个平面注入,增加了泵浦光的吸收长度,提高了利用率。此外这种泵浦方式可采用水冷热沉的冷却方式,实现泵浦面和冷却面分离,简化激光头的设计。同时由于冷却液体不直接接触增益介质,不会造成对板条的污染,整个系统的机械稳定性也有所提高。2001年,斯坦福大学报导了LD侧面泵浦的Yb:YAG和Nd:YAG板条激光器。掺杂浓度一%,尺寸l.45x4.57x35.7mm3的Nd:认。板条激光器,30Ow泵浦功率获得127w多模输出;掺杂浓度2%,尺寸0.91X4.57x35.7~3的Yb:YAG板条激光器,3巧W泵浦功率获得46W输出。但是在半导体泵浦的板条结构中,常常采用光纤祸合输出的激光进行泵浦,这样受LD祸合进光纤的效率的限制,会降低系统的整体效率。
板条激光器
板条激光器是目前功率水平最高的固体激光器,其外形呈板条状,工作时激光沿着介质长度方向行进。当前世界上仅有的两例功率突破百千瓦的固体激光系统均采用了板条结构,此外还有大量功率在数十千瓦的相关报道。
侧面泵浦结构
侧面泵浦结构利用板条的上下两个大面进行泵浦,板条的厚度方向为泵浦光的吸收方向。激光增益介质的泵浦面与激光通光面不共面,泵浦光方向与激光方向不平行,通常是垂直的关系。
2000年日本大阪大学的Kato等人报道的侧面泵浦八通板条激光器的示意图。振荡器输出的种子脉冲重复频率为 1kHz, 光束质量为 M2=1.1,单脉冲能量为 0.5mJ。放大级增益介质 Nd:YAG 的端面切了多个斜角以实现之字形路,两个 LD 阵列由晶体侧面泵浦,单程的小信号增益为 3.03。放大级通过外围巧妙的光路设计使种子脉冲八次通过放大器,实现了能量的充分提取。该激光系统获得了平均功率为 68W 的脉冲输出,储能提取效率达到 61%。
2002 年,美国 TRW 实验室研制出 2.4 倍衍射极限的 5.4kW 输出的二极管泵浦 Nd:YAG 板条激光器:DP-25。该激光器由 5 个之字形板条增益模块组成,采用 POPA 结构(Power Oscillator Power Amplifier,功率振荡器+功率放大器)。谐振腔含有 2 个增益模块,使用简单的非稳腔进行模式控制。该非稳腔的放大率为 1.7,长度为 70cm。每个增益模块的尺寸为 5×37×150mm,采用表面水冷、 侧面泵浦的结构。泵浦源为水冷的 LD 模块,每个模块包括 15 个 LD 阵列,每个阵列有 16 个 bar 条。这些准连续的 bar 条以最大占空比 20%驱动激光器。DP-25激光器共采用了 150 个 LD 阵列,总峰值功率为 120kW,平均功率为 24kW。振荡器输出光束的像散通过一个放在谐振腔外的长焦距柱面镜校正,然后进入第一级放大,接着依次穿过余下的两个放大器。在重复频率 400Hz,脉冲宽度 0.5ms的泵浦脉冲下,DP-25 激光器的输出功率为 5.4kW,单脉冲能量为 13.5J,光束质量为 2.4 倍衍射极限。采用望远镜结构矫正像散,使得激光光束在输出时保持对称,约 8mm×8mm 见方。
2003 年,英国帝国理工学院的 Minassian 等人报道了一种新型的掠入射结构板条激光器。掠入射激光器作为一种特殊的侧面泵浦激光器,利用增益介质的强吸收特性将大部分泵浦能量集中在泵浦面附近一个很小的区域内,实现了泵浦光束和激光光束较好的模式匹配,从而易于获得基模激光输出。该板条激光器使用强吸收晶体 Nd:YVO4,获得了 26.1W 的多模输出,光光效率大于 68%,并在 39.5W 泵浦功率下获得了 23.1W 的基模输出,光光效率约为 58%,两方向的光束质量分别为 1.3 和 1.1。利用掠入射结构高增益的特点,产生高重频或低重频脉冲的研究也取得了不错的进展。
侧面泵浦板条激光器
早期的板条激光器均由闪光灯进行泵浦,一般采用大面泵浦、大面冷却的结构。1990 年,在 ICA-LEO 上报道闪光灯泵浦的板条激光器连续最高输出功率为 1.2kW,光束质量为 3 倍衍射极限。 2005 年,美国达信公司(Textron)凭借其独特的 ThinZag 技术实现了单模块15kW,近衍射极限的高能激光输出。ThinZag 模块可以视为是侧面泵浦板条激光器的改进版,板条介质固定于两石英窗口之间,冷却液在窗口内流动,形成传导冷却格局。泵浦光垂直入射板条大表面,信号光则通过特殊光楔导入,在石英窗体之间沿 ZigZag 光路前进。2010 年,该公司报道了采用 3 组 15kW 模块实现单口径输出 30kW,3.3 倍衍射极限的高能激光,同年,通过 6 组模块级联实现了超过 100kW 输出。