[科普中国]-DPSSL二极管泵浦固体激光器

DPSSL英文全称为Diode Pump Solid State Laser,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。

概述189新型的LD泵浦的固体激光器二极管泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-statelaser，简称DPSSL）是以基本的LD作为泵浦光源，因此，它是半导体激光器的具体应用。固体激光器是人们最早研制成功的激光器，至今已有近40年的历史。从20世纪80年代以来，固体激光器的发展比较快。出现了几种带有方向性的新型固体激光器，这就是半导体激光二极管泵浦的固体激光器、可调谐固体激光器和高功率固体激光器。由于激光二极管（LD）成本低，用LD泵浦的DPSSL正在逐步取代其它泵浦方式的固体激光器。

如前所述，采用闪光灯泵浦的固体激光器，因泵浦光谱很宽，能被激活离子泵浦带吸收的有效部分不足20%，也就是说，有80%一90%的能量被浪费掉了，这除了使得激光器的转换效率很低外，还会产生危害性极大的热效应。

由于DPSSL兼备了二极管激光器和固体激光器的优点，并相互弥补了对方的某些缺点。尽管随着技术的发展有可能消除LD的某些缺点（改善束质和提高输出功率），但固体激光器的峰值功率和能量储存能力是LD所不能代替的。DPSSL的电一光转换效率达19%，连续工作可达数十万小时，热负荷和热效应约比灯泵浦固体激光器小3倍，而且光束质量好、体积小，可全固化。上述突出优点将使其在许多领域得到广泛的应用，如通信、遥感、测距和目标指示、相干雷达、精密机械加工、光存储和图像处理、医疗、高速电子学、化学动力学和光谱学等。特别引起我们兴趣的是大功率DPSSL在强激光武器和激光聚变方面的应用前景。DPSSL不仅是很好的战术激光武器，而且也是很有希望的战区防御武器。如美国空军已将导弹防御重点转向高技术激光束，大功率DPSSL系统已成为机载、星载等空间平台中激光武器的重要被选者之一。1

优点与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSSL的主要优点是：

（1）能量转换效率高。由于半导体激光二极管的电光转换效率可达30%以上，远远高于一般闪光灯的转换效率，又由于半导体激光二极管的输出激光谱线较窄，并且可以通过改变其激活区成分和结构，或改变其工作温度，使输出激光中心波长和固体工作物质吸收峰准确地重合，所以DPSSL的转换效率很高。实验结果表明，端泵浦的效率最高（总效率约为7%）。尤其是用半导激光进行端面泵浦时，泵浦光与固体激光在空间上可以很好地匹配,可使泵浦光的利用率得到进一步提高。DPSSL的总体效率比闪光灯泵浦的固体激光器可以提高一个数量级。

（2）与半导体激光二极管相比，DPSSL的输出激光谱线窄几个数量级，激光发散角很小，有很高的时、空相干性，并且很容易获得较高的输出功率。这正是在许多种情况下并不直接利用半导体激光二极管，而采用DPSSL的原因。

（3）频率稳定性好。由于DPSSL在工作时产生的无功热量少，所以工作物质的温度稳定。又因为DPSSL可以制获全固态器件，所以可消除振动的影响。一种采用YAG和有效稳定法的DPSSL，其频率急定性达到了30Hz，而一般的固体激光器频率稳定性不会优于17kHz。

（4）寿命长，小型化，结构简单，使用方便。由于不可避免的存在着热效应，造成LD泵浦与灯泵浦固体激光器一样，其量子损耗（quantumeffect）总是存在，尤其在大功率二极管泵浦固体激光器中热效应显得更为显著。

激光二极管阵列对于激活介质吸收而言可以获得较高的输出功率。用激光二极管沿纵轴泵浦Nd：YAG激光器，虽牺牲一些效率，但用脉冲或连续运转都能获得较高的输出功率。

利用这种泵浦结构，连续泵浦、Q开关或腔倒空运转方式都能获得单横模和单纵模性能。用输出4．5W二极管阵列泵浦Nd：AGG棒状激光器己获得1W连续输出，转换效率为22%。

半导体二极管激光器是固体激光器的理想泵浦源。目前半导体激光二极管及其阵列取得了重大进展。量子阱结构使LD的各项参数改进了约10倍到几十倍，垂直腔面发射二极管在0．5cm2GaAs芯片上将能封装百万个激光器。在效率方面，连续输出的A1GaAs二极管最高已达60%。在寿命方面，连续工作最高达105h。LD作为固体激光器的泵浦源，最关键的条件是要有足够的功率。1

DPSSL的一般结构目前用于DPSSL的固体激光材料主要是掺钕（Nd）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）等离子的YAG、YAP、YLF、玻璃和Ti：LiNbO3波导等。制成这种激光器的关键是半导体激光二极管的工作波长与固体激光工作物质的吸收峰值匹配要好，半导体激光与固体激光工作物质内的激光振荡模式匹配要好，阈值要低，功率要大。

DPSSL的种类也很多，有连续的、脉冲的、调Q的、锁模的以及加倍频等。非线性转换的泵浦耦合方式，有直接端面泵浦方式、光纤耦合端面泵浦方式和侧泵浦方式。固体激光工作物质可以是圆柱形的，也可以是板条形。端泵浦方式因半导体激光模式与半导体激光工作物质中的激光振荡模式匹配良好，所以泵与激光器之间的耦合效率很高。

目前，已出现的LD泵浦Nd：YAG内腔倍频的473nm（1064nm、946nm、）波长的全固态蓝色激光器，它的谐振腔就是采用紧耦合结构。它是通过调整LD的温度，使其发射谱处于Nd：YAG的吸收峰808．5nm处，从LD出射的激光经过准直、整形、聚焦后在Nd：YAG晶体上形成一个直径约为70[1m左右的光斑，光强分布为高斯分布的激光。62．3典型的高功率DPSSL随着高功率二极管泵浦固体激光器Oiode-Pumped Solide-State Laser，简称DPSSL）。1

发展状况端面泵浦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。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。

侧面泵浦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。侧面泵浦（Side Pump）固态激光器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。

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学