二极管泵浦固体激光器 he-ne激光器原理

二极管泵浦固体激光器
李凯①
摘要：介绍了近几年来DPSSL的研究状况，结合笔者近年来所接触的各
种激光器，对各种新出现的DPSSL的核心部件——二极管泵浦头的设计
结构作了简要的描述，分析。
关键词：二极管泵浦；激光头；端面泵浦；侧面泵浦；薄片激光器；光
纤激光器；DPSSL；泵浦源。
1前言
DPSSL英文全称为DiodePumpSolidStateLaser,即二极管泵浦固
体激光器。是近年来国际上发展最快，应用较广的新型激光器。该类型
的激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯
来对激光晶体进行泵浦，从而取得了崭新的发展，被称为第二代的激光
器。
DPSSL的发展与半导体激光器的发展是密不可分的。1962年，第一
只同质结砷化镓半导体激光器问世，1963年，美国人纽曼就首次提出了
用半导体做为固体激光器的泵浦源的构想。但在早期，由于二极管的各
项性能还很差，作为固体激光器的泵浦源还显得不成熟。直到1978年量
子阱半导体激光器概念的提出，以及八十年代初期MOCVD技术的使用及
应变量子阱激光器的出现，使得LD的发展步上了一个崭新的台阶。在进
入九十年代以来，大功率的LD及LD列阵技术也逐步成熟，从而，大大
促进了DPSSL的研究。本文着重以二极管泵浦的固体激光器为主，先简
单介绍LD列阵的发展状况，然后结合笔者所接触的各种激光器，从二极
管泵浦头的设计出发举例叙述近年来出现的DPSSL器件的技术特点和
发展现状。
2二极管泵浦的固体激光器（DPSSL）与传统等泵浦激光器的
比较
与传统的灯泵浦激光器比较，DPSSL具有以下优势：
1．工作时间长。传统的氪灯或氙灯寿命只有几百小时，最长的
不超过2000小时。而用于泵浦的二极管激光器寿命高达上万
小时，从而大大降低了使用者的维护成本。
2．低功耗。传统的灯泵浦激光器的转换效率大约只有3%左右，
泵浦灯的发出的能量大部分转换成了热能，造成了极大的能
源浪费。而DPSSL所用的LD发出固定的，被激光晶体吸收的
808nm波长的激光，光光转换效率可高达40%以上，大大减少
了运行成本。
3．体积小，便于设计小型化。一台DPSSL激光器大约只有传统灯
泵浦激光器体积的1/3甚至更小，便于携带。
下面，本文通过结合笔者近年来所接触的半导体泵浦固体激光器，
来说明其近年来的发展状况及技术特点。
3二极管泵浦的固体激光器（DPSSL）
3.1端面泵浦（EndPump）固体激光器
端面泵浦方式最大的优点就是容易获得好的光束质量，可以实现高
亮度的固体激光器。所以，对端面泵浦的尝试一直也没有停止过。图一
是笔者所接触到的ACI公司用二极管列阵端面泵浦Nd:YAG的示意图。
图一：端面泵浦固体激光器
在该系统中，泵浦源采用8W的半导体激光器，输出后经柱状棱镜组
整形，将光束发散角压缩并聚焦后输入激光晶体。激光晶体的靠近泵浦
源的一端面镀808nm的增透膜和1064nm的高反膜。808nm的增透膜使泵浦
源发出的808nm波长的激光进入激光晶体前的损耗降至最低，而1064nm
的高反膜与镀有1064nm部分反射膜的输出镜结合起来，形成谐振腔，使
1064nm的激光产生振荡放大并输出。该种结构中泵浦光束激活的晶体模
体积较小，因而一般用于功率较小的场合，如ACI公司设计此款激光器
的目的是用于3W的激光打标机系统中。但端泵的优势在于输出的激光模
式较好，便于实现TEM00输出，在某些功率要求不高，需要准直的场合非
常实用。如激光测距，电子元器件的标记等方面。
3.2侧面泵浦（SidePump）固态激光器
休斯航天航空实验室的研究人员们侧面泵浦棒状Yb:YAG晶体获得
了0.95KW的大功率输出。这是目前利用半导体激光器泵浦单根Yb:YAG所
得到的最大的功率输出。图二是其激光泵浦头的示意图。
笔者所接触到的CEO公司的侧面泵浦固体激光器也是这样的结构。
由图可以看出，激光头是由三个二极管泵浦模块围成一圈组成泵浦源，
每个泵浦模块又由3个带微透镜的二极管线阵组成。每个线阵的输出功
率平均为20W输出波长为808nm。该装置采用玻璃管巧妙地设计了泵浦腔
和制冷通道。玻璃管的表面大部分镀有808nm的高反膜，剩余的部分呈
120°镀有三条808nm增透膜，这样便形成了一个泵浦腔。二极管泵浦源
发出的光经过三对光束整形透镜会聚到这三条镀增透膜的狭长区域内，
然后透过玻璃管的管壁，被晶体吸收。由于玻璃管大部分区域镀有高反
膜，使得泵浦光进入泵浦腔以后，便在其中来回的反射，直至被晶体充
分地吸收，而且在晶体的横截面上形成了均匀的增益分布。同时玻璃管
还能用于制冷，高速通过的冷却水将产生的热量迅速带走。晶体采用的
是一根复合结构的Nd:YAG棒，有效尺寸为j3*63mm，掺杂浓度为1.5at.%
当泵浦光功率为180W时，得到了72W的激光输出。光光转换效率高达40%。
图二：侧面泵浦固体激光器
这种激光器的优势在于输出功率高，增益分布比较均匀，所以在市
场上得到了广泛的应用。缺点是光学质量较端面泵浦的要差一些。
3.3薄片激光器（ThinDiscPump）
薄片激光器是集端面泵浦与侧面泵浦的优点于一身的一种新型的
固体激光器设计方案。由德国航空航天研究院技术物理所的研究人员们
首次提出。它的基本概念是用光纤耦合输出的半导体激光器作泵浦源对
非常薄的晶体进行端面泵浦，使泵浦光在几百微米的晶体薄片中多次经
过，同时使热梯度的分布方向与激光束的传播方向相同。
图三为德国JENOPTIK公司改进后的泵浦设计的平面示意图。新的泵
浦设计中用一个抛物面成像反射镜代替了原来的4个球面成像反射镜，
使得泵浦光在晶体中经过的次数由原来的8次增加到16次。采用改进后
的泵浦结构，在室温下，用24W的连续激光泵浦，用j3*0.2的Nd:YAG晶
体薄片，得到了10W的TEM00连续光输出，光光效率为41.7%。这种薄片激
光器具有按比例功率放大的特性，将多个薄片晶体级联在同一个热沉
上，可有望得到光束近衍射极限的，高效率的千瓦级全固态固体激光器。
这种激光器输出的光学质量介于端面泵浦和侧面泵浦之间，可得到
较高的输出功率和较好的光学模式。但是这种激光器的设计和调试较为
困难，因而不为大多数的激光公司所采用。
图三：薄片激光器
3.4光纤激光器（FiberLaser）
光纤激光器是最近几年由光通讯行业中的光放大器演变而来的。其
一推出即引起了业界的震动，其良好的光学质量，较高的输出功率，超
长的寿命及无需维护的特点获得了众多公司的瞩目。其严格来说，属于
端面泵浦的一种。
图四：光纤激光器
现代高功率光纤激光器的泵浦源是高功率的多模二极管，通过一
个围绕着单模纤心的双包层来实现。
在二十世纪七十年代，以一个单模光纤激光器来替代固体激光器
或宽带半导体激光二极管的多模发射输出的想法被首次提出。在简单的
双包层光纤结构中，一个轴向的单模玻璃纤心被掺入人们所期望的激光
离子，如铷、饵、镒、铥等。核心光纤被一层直径几倍于它的不掺杂的
玻璃包层所包围，具有更低的折射率。接下来是内部的泵浦包层，被更
外一层不掺杂的玻璃包层所覆盖，同样具有更低折射率。在这种光纤结
构中，多模二极管泵浦光通过一个复合光纤的终端面射入泵浦包层，通
过光纤结构传播，周期性地穿越掺杂质的单模光纤核心，并在核心光纤
中产生粒子数反转。
IPG激光部门（现在为IPGPhotonics的分支机构）研制出一种更先
进的全加固侧面并行泵浦光纤激光器。它包括一个主动光纤，这种光纤
具有可以和其他光学元件或增益级自由熔结的多面体结构，从而使泵浦
光可从多点注入包层成为可能。这样，一种简单的光纤输出功率的按比
例缩放控制成为可行。其他的侧泵浦技术还有V槽耦合。1996年，具有
工业质量的衍射极限10瓦级包层泵浦光纤激光器由IPGPhotonics推向
市场。Polaroid公司（剑桥，MA）、SpectraDiode实验室（现在的JDS
Uniphase）以及SpectraPhysics不久也介绍了类似的激光器。
耦合多个100瓦级光纤激光器的输出功率可以很好地提升光纤激光
器的输出功率到一个更高的级别。比如说，7个100瓦级光纤激光器输出
的光束通过7个单模光纤传送30米以上的距离，然后在一条多芯光纤波
束耦合器中被合成，输出一个直径80μm,发散角小于40mrad的波束。
这相当于一个输出光束参数<1.6mmmrad的激光；700瓦的耦合输出功

率可以以一束强烈的激光作用在工件上，每平方厘米可达高于50千瓦的
功率。比较而言，一个二极管泵浦固态激光器典型的光束参数>10mmmrad,
输出功率密度也只有光纤激光器的50分之一。700瓦级的光纤激光器大
小为55×60×95cm3，重量为120千克。
这种形式的激光器能够根据需要的功率，将光纤加长，因而可以达
到很高的功率。但其有一个致命的弱点就是单脉冲能量不高，这使得光
纤激光器的应用领域受到了一定的限制。目前，世界各国都把如何提高
光纤激光器的单脉冲能量作为一个重点的研发课题。
4总结
本文着重从实验装置和原理的角度出发，描述了近年来出现的几种
半导体泵浦的固体激光器的核心部件—激光头的技术特点。高功率，高
亮度的DPSSL一直是国内外激光领域里的前沿课题。目前，国外千瓦级
DPSSL系统已有诸多报道，日本还预计将在2005年实现输出平均功率≥
10KW,电光效率≥20%激光头的尺寸≤0.05m3的高功率全固态激光器。国
内的DPSSL发展相对落后，但随着近年来，我国大功率LD及LD列阵制作
工艺的逐步成熟，DPSSL必将有更加蓬勃的发展。
参考文献：
1、《固体激光工程》[美]W.克希奈尔
2、《大功率二极管泵浦固体激光器》刘媛方高瞻马晓宇肖建伟
3、《光纤激光器------第三代激光器唯一代表》IPGPhotonics总裁
①李凯，男，1974年10月生。1997年毕业于武汉工业大学（现武汉理工大学）机电一体化专业，电邮：

----转自路人甲、乙、丙

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