固体激光器设计关键：泵浦能量进入晶体，确保光束稳定

固体激光器设计的关键就是如何使泵浦的能量进入激光晶体，并对激光晶体进行冷却，从而确保光束不发生变形，或者使激光晶体不发生破损。

1.2.3.1 Nd-YAG激光器

图1.19 Nd-YAG激光器的结构图

a）Nd-YAG激光器的一般结构 b）采用半导体激光泵浦的Nd-YAG激光器的阵列图

Nd-YAG激光器的结构如图1.19所示，其泵浦方式采用灯泵浦和半导体泵浦。激光腔体中有活性介质，活性介质为钕和Nd³⁺离子，YAG晶体棒放在椭圆形腔体的一个焦轴上，腔体由镀了金的金属或光滑陶瓷构成。一般认为陶瓷腔可以为YAG棒提供更加均匀的照明，Nd-YAG激光器的另一个受人关注的焦点是氪灯，它发射出的光谱更加适合Nd³⁺离子。在光学腔中有一个小孔，它可以对光束模式进行控制，也可以认为是一个Q开关，当小孔关闭时，就可以产生高速脉冲能量。Q开关（Q意味着“品质”）是一个以可控的方式对激光的谐振进行扰动的设备，它可以是机械式的断路器、一种可以脱色的染料、光-电开关和声-光开光。声-光开关能够通过晶格将由压电转换器产生的声音进行传播，RF振荡器（频率为24～27MHz）在晶体中产生的声波为压缩波和稀疏波。这些不同密度的波使晶体的折射率发生改变，这时晶体可以看成是一个光栅，从而使光束衍射到正常光路之外，这时激光就被终止了。使功率为60W的光束发生偏转需要大约60～100W的能量，因此Q开关必须冷却，目前这些Q开关都无法承受这样大的功率，因此它们只能被应用于10～20W的激光中。通过这些Q开关的调制，可以输出宽频率范围的激光，一般为0～50kHz。光闸的速度决定了积聚在谐振腔中能量的大小，光闸关闭时没有激光输出，然后迅速打开光闸，从而可以获得非常高的峰值功率。例如，一个20W的Nd-YAG激光器，Q开关可以产生6ns、能量为1mJ的脉冲，其功率达100kW。

对于灯泵浦或二极管激光泵浦，在较低频率（0～2kHz）的情况下，通过改变氪灯或激光二极管的电流可以对低功率和高功率激光的每一个脉冲能量进行控制。单个脉冲的形状是激光工程应用的一个方面，目前脉冲形状对材料加工的影响还不清楚。低能量的Nd-YAG激光束可以穿过铌酸锂（LBO）和硼酸钡（BBO）晶体，这些非线性的光学器件可以吸收两个或更多的光子，从而可以达到更高的能量状态。当从高能级跃迁到低能级时，将辐射出两倍的光子能量，并且波长变为原来的一半。这就意味着波长为1.06μm的Nd-YAG激光穿过校准晶体时将辐射出0.530μm的激光，或者说是绿光，这种现象被称为“倍频”。重复这个过程将产生超紫外光，这将与准分子激光形成明显的竞争，特别当考虑到用二极管泵浦时的YAG激光。

棒状晶体可以变成片形或面形YAG晶体，这种激光的造价比较高，但是这种激光功率可以达到1kW，而且这种激光的冷却效果比较好，从而可以避免在运行时出现光束变形现象。在1972年，美国通用电气公司的Marshall Jones小组发明了第一台板条状激光器。相对于棒状晶体设计，板形或者面形晶体结构可以减少热透镜效应，从而可以采用更强的泵浦能量。板条状激光器的原理如图1.20所示。

对于钕或其他稀土元素，其基质材料可以是YAG、YLE、YAP，以及磷酸盐或石英玻璃，表1.4列出了一些当前工业应用的固体激光器的波长范围。

图1.20 板条状激光器的原理图(www.xing528.com)

表1.4 工业用固体激光器输出激光的波长

（续）

∗近似的理论波长区域；每一个星号代表一个激光波长。

1.2.3.2 二极管泵浦的固体激光器

前面已经提及采用灯泵浦Nd-YAG激光器存在的问题。实际上只有很小比例的闪光灯能量能够被Nd³⁺离子吸收，废热不仅会对棒状YAG晶体进行加热，导致光束变形和折射率发生变化，还会导致脉冲与脉冲的一致性比较低（大约10%～15%）和光束质量降低（M²值大约为15～100），灯的寿命也只有几百个小时，而且需要足够大的能量才能驱动它们。采用二极管激光激励Nd³⁺离子就可以消除这些问题，如图1.19b所示。二极管激光泵浦的插头能效可以达到30%～40%，所有的光辐射都集中在Nd³⁺吸收线808nm处，这中间Nd³⁺有一条非常强的吸收线。二极管激光泵浦所需的功率和冷却要求都极大地降低了，并且M²值正如1.1节中所说的那样小^[6]。剩下的问题就是泵浦所用的高功率二极管的成本比较高。

由于激光二极管的市场需求在增加，其价格很可能会降低。过不了几年，由于成本和光束质量的原因，灯泵浦激光器逐渐会被淘汰。

二极管泵浦的固体激光器可以采用圆片状YAG晶体，其激光介质为掺Yb的YAG晶体。从InGaAs二极管发出的光束对圆片形晶体一面进行多次反射泵浦，晶体的另一面固定在热槽上，圆片形晶体的厚度为0.3mm，直径为7mm，晶体中Yb的掺杂率最多为25%（Nd的掺杂率只有1.5%），每个圆片可以产生超过500W的高质量激光束，激光的波长为1.03μm，这种形状的晶体可以产生高功率和高质量光束，究其原因是由于它的冷却条件非常好，以及具有较高的掺杂率。

同时二极管泵浦的光纤激光器也正在发展^[7]，这种激光器采用二极管激光对端面和侧面进行泵浦。IPG Photonics公司销售的基于Yb的2kW连续光纤激光的波长为1085nm，焦斑尺寸在50μm以下，功率密度为100MW/cm²，该设备的尺寸为110cm×60cm×118cm，该激光器还包括电源和空气冷却系统。这种激光器的光束质量是一般Nd-YAG激光器的10倍，插头能效为20%。据估计泵浦二极管的寿命可以达到100000h，这表明激光器可以免维护地工作若干年。700W的光纤激光器可以切断50mm厚的钢板，由于具有这种性能，这些激光器似乎具有很好的发展前景。