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金屬鈑金新聞

新一代高功率固體綠光/紅外激光器及其科研應(yīng)用

星之球科技 來(lái)源:晨輝光電2012-01-18 我要評(píng)論(0 )   

摘要:介紹了薄片式固體激光器的原理,Yb:YAG晶體的特性及其與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG晶體固體激光器的對(duì)比,VersaDisk固體激光器作為一個(gè)光學(xué)平臺(tái)所具有的強(qiáng)大功能及給用戶所帶...

摘要:介紹了薄片式固體激光器的原理,Yb:YAG晶體的特性及其與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG晶體固體激光器的對(duì)比,VersaDisk固體激光器作為一個(gè)光學(xué)平臺(tái)所具有的強(qiáng)大功能及給用戶所帶來(lái)的方便靈活和擴(kuò)展空間,最后介紹了該激光器在科研領(lǐng)域的應(yīng)用。

  薄片式半導(dǎo)體泵浦固體激光器被認(rèn)為是近期來(lái)激光技術(shù)最著名的進(jìn)展之一。它基于一種革命性的固體激光器設(shè)計(jì)理念,最近幾年中已經(jīng)成為科研及工業(yè)加工的得力助手,最近幾年更是進(jìn)入了批量化生產(chǎn)階段。薄片式固體激光器可以輸出很高的功率(連續(xù)或脈沖),同時(shí)擁有非常好的光束質(zhì)量。http://www.bjlaser.com/
  Yb:YAG激光晶體作為特殊的激光工作物質(zhì),它不僅具有YAG激光基質(zhì)材料本身優(yōu)良的物理性質(zhì)和穩(wěn)定的化學(xué)性能,而且具有很好的激光工作性能。激光波長(zhǎng)為1030nm,峰值吸收波長(zhǎng)在940nm附近,吸收帶寬很寬(18nm@940nm),熒光壽命長(zhǎng)(0.95ms),量子效率高(91%),在相同的半導(dǎo)體泵浦功率下,Yb:YAG泵浦生熱為Nd:YAG的1/3。能夠很容易的被可靠的InGaAs半導(dǎo)體激光器所泵浦,是一種新型的、適合LD泵浦的高平均功率和高光束質(zhì)量的發(fā)射1um左右波長(zhǎng)的激光材料。另外,由于其二倍頻是515nm,接近Ar離子激光器的波長(zhǎng)514.5nm,從而使其有可能替換用戶現(xiàn)存的大量氬離子激光器,因此在激光領(lǐng)域內(nèi)受到越來(lái)越多的關(guān)注。
  由德國(guó)斯圖加特大學(xué)的Adolf Giesen博士及其研究小組發(fā)明的薄片式固體激光器技術(shù),其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)采用傳統(tǒng)棒狀晶體設(shè)計(jì)的Nd:YAG固體激光器。由于該項(xiàng)專利是由德國(guó)政府資助的,所以只能許可給德國(guó)的激光公司。這也是目前只有德國(guó)的激光公司能夠生產(chǎn)薄片式固體激光器的原因。德國(guó)ELS公司是最早的也是世界上唯一生產(chǎn)高功率薄片式單頻連續(xù)固體激光器的廠商,所生產(chǎn)的VersaDisk激光器獲得Photonics Excellence Award 2003大獎(jiǎng),是當(dāng)年世界上唯一獲此殊榮的固體激光器。因此VersaDisk正在被越來(lái)越多的科研用戶所接受,而這一切都得益于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念和與眾不同的性能。而且VersaDisk515進(jìn)一步拓展了高功率固體綠光激光器的應(yīng)用領(lǐng)域,打破了該市場(chǎng)過(guò)去一直被美國(guó)的激光公司所占領(lǐng)的局面。

1. 原理
  薄片式激光器的稱謂來(lái)源是因?yàn)樗木w形狀為薄片式,厚度通常為200微米,直徑為10mm。由半導(dǎo)體激光器從晶體的前表面進(jìn)行泵浦,近似于常用的端泵技術(shù)。薄片晶體整個(gè)粘接在熱沉上,所以晶體的冷卻效率非常高(圖1)。由于晶體的厚度很薄,所以每次半導(dǎo)體激光器的泵浦光穿過(guò)激光晶體時(shí)只有一部分泵浦光被其吸收,為了提高它的泵浦效率,在其前部放置一塊拋物面鏡,使未被吸收的泵浦光多次通過(guò)晶體來(lái)提高泵浦效率,一般的次數(shù)為32次,從而產(chǎn)生很強(qiáng)的激光輻射。
         

    圖1 薄片式激光器原理圖        圖2 薄片式Y(jié)b:YAG激光器與傳統(tǒng)YAG激光器的對(duì)比

2.與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG固體激光器的對(duì)比:
  Yb:YAG作為準(zhǔn)三能級(jí)結(jié)構(gòu)的晶體,比傳統(tǒng)的Nd:YAG晶體更適合用半導(dǎo)體激光器泵浦,與Nd:YAG晶體相比它的優(yōu)點(diǎn)如下:
· 具有較低的量子損耗,熱承載?。?1%量子效率),熱透鏡效應(yīng)非常小,幾乎可以忽略不計(jì)。
· 具有很寬的吸收帶寬(18nm),因此對(duì)泵浦LD的控溫精度要求低。
· 上能級(jí)熒光壽命長(zhǎng)(1ms),有利于儲(chǔ)能。
· 發(fā)射線寬較寬,可以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧輸出。
· 激光發(fā)射截面較?。ㄓ欣诟吣芰看鎯?chǔ))。
  Yb:YAG晶體的熱傳導(dǎo)和溫度梯度主要沿著軸向,從而使晶體的溫度分布非常均勻,波前形變非常小。這種先進(jìn)的諧振腔設(shè)計(jì)使得熱量從Yb:YAG晶體傳導(dǎo)到熱沉的效率非常高,熱傳導(dǎo)的方向與激光光束傳播的方向平行(即軸向),因此徑向溫度梯度非常小,從而避免了傳統(tǒng)棒狀晶體激光器的固有限制,如高功率下的熱透鏡效應(yīng)、激光晶體的變形、雙折射效應(yīng)等。因此,薄片式固體激光器可以很容易獲得非常高的輸出功率(最大100W)而不影響它卓越的光學(xué)性能,一般都具有近高斯分布的高功率激光束(M2<1.1)。這是它與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG固體激光器的最大區(qū)別,因?yàn)閭鹘y(tǒng)棒狀Nd:YAG固體激光器或者具有高功率,或者具有好的光束質(zhì)量,但不能同時(shí)擁有。

3.功能強(qiáng)大的光學(xué)平臺(tái):
  德國(guó)ELS公司的VersaDisk不僅僅是一臺(tái)激光器,它實(shí)際上是一個(gè)功能強(qiáng)大的光學(xué)平臺(tái)。模塊化的設(shè)計(jì)為您帶來(lái)靈活的配置和強(qiáng)大的擴(kuò)展性(圖3),用戶可以根據(jù)自己的研究工作選擇最合適的配置,或者選擇一個(gè)通用的配置以滿足大多數(shù)常見的應(yīng)用。VersaDisk腔型結(jié)構(gòu)的自由度非常高,用戶可以只購(gòu)買一臺(tái)激光器而得到紅外(基頻)、綠光(倍頻)或雙波長(zhǎng)(紅外和綠光)同時(shí)輸出,也可以在腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具、布儒斯特窗片、雙折射濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)單頻、線偏振、波長(zhǎng)可調(diào)諧等多項(xiàng)傳統(tǒng)棒狀固體激光器實(shí)現(xiàn)不了的功能。

 

     圖3 VersaDisk-515/1030激光器外型圖

 

    圖4 VersaDisk-1030的腔型設(shè)計(jì)      圖5 VersaDisk-515的環(huán)行腔設(shè)計(jì)


VersaDisk-1030——高功率單頻紅外激光器(圖4):
VersaDisk-1030可以在1030nm處輸出最大100W功率(5/10/20/30/50//75/100W),并保證輸出模式為TEM00模。在腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具就可以選擇一個(gè)縱模,從而實(shí)現(xiàn)單頻輸出(線寬<5MHz,最大輸出功率可達(dá)50W)。窄線寬和高功率可以使VersaDisk-1030很方便地實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換(倍頻或泵浦OPO)。
VersaDisk-515——高功率單頻綠光激光器(圖5):
VersaDisk-515采用環(huán)行腔設(shè)計(jì),并選擇非臨界相位匹配的LBO晶體作為倍頻晶體,可以在515nm處實(shí)現(xiàn)最大15W的單頻輸出功率(2.5W/5W/10W/15W,線寬<5MHz)。薄片技術(shù)與環(huán)行腔設(shè)計(jì)的結(jié)合給VersaDisk-515帶來(lái)了優(yōu)秀的性能,如指向穩(wěn)定性好、單頻輸出等。
·可實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)同時(shí)輸出(圖5):
把VersaDisk-515環(huán)行腔中的一塊折疊腔鏡換成可透過(guò)1030nm的腔鏡,就可同時(shí)獲得515nm和1030nm的輸出;通過(guò)改變?cè)撶R片對(duì)1030nm的透過(guò)率,還可以調(diào)節(jié)515nm和1030nm的輸出功率。
·波長(zhǎng)可調(diào)(圖6):#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
因?yàn)閅b:YAG晶體可以在1000到1060nm范圍內(nèi)產(chǎn)生激光輻射,因此在VersaDisk-1030的腔內(nèi)放置一塊雙折射濾光片它就可以在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)調(diào)諧(對(duì)于VersaDisk-515來(lái)說(shuō),調(diào)諧范圍從514nm到517nm)。這個(gè)選項(xiàng)可以和單頻輸出共同選擇。
      
                      圖6 Yb:YAG激光器波長(zhǎng)調(diào)諧圖

·可替代氬離子激光器:
氬離子激光器由于非常耗水耗電正在逐漸被固體激光器代替,但傳統(tǒng)的棒狀固體激光器的波長(zhǎng)(532nm)又不太合適,這時(shí)VersaDisk-515(515nm)就是最合適的選擇,因?yàn)樗梢苑浅>_地把輸出波長(zhǎng)鎖定在514.5nm,從而替代氬離子激光器,而且各項(xiàng)參數(shù)都要優(yōu)于氬離子激光器。
·調(diào)Q型:雖然VersaDisk非常適合于連續(xù)工作,但在一些應(yīng)用諸如泵浦中紅外(2-5μm)調(diào)Q型OPO時(shí),調(diào)Q型VersaDisk就顯得非常合適。通過(guò)在VersaDisk-1030諧振腔中加入調(diào)Q元件就可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率1k-15kHz,脈沖寬度500ns的調(diào)Q型VersaDisk-1030Q。
·鎖模型:應(yīng)用可飽和吸收鏡(SESAM)技術(shù),VersaDisk-1030還可以改制成鎖模型固體激光器,波長(zhǎng)1030nm,重復(fù)頻率100MHz,脈寬500fs,峰值功率可達(dá)25MW。該鎖模激光器還有二倍頻(綠光)和三倍頻(UV)選項(xiàng)。
  總之,VersaDisk除了具有高功率和優(yōu)秀的光束模式外,而且還是一個(gè)功能強(qiáng)大的光學(xué)平臺(tái),可以滿足大多數(shù)科研領(lǐng)域的應(yīng)用。

4.應(yīng)用
(1)VersaDisk-1030的應(yīng)用
· 中紅外高分辨率光譜(與2-5um OPO一起使用):
              

                      圖7 SpectroStar系統(tǒng)配置圖
  VersaDisk-1030可以用來(lái)泵浦高功率單頻中紅外(2-5μm)OPO( SpectroStar),從而填補(bǔ)了世界上在該譜段沒有高功率單頻光源的歷史,為從事高分辨率中紅外光譜的科研人員提供了有力的科研工具。由于VersaDisk-1030的波長(zhǎng)可以在1000nm-1060nm之間調(diào)諧,而且可以同時(shí)保證高輸出功率和窄線寬,因此可以通過(guò)只調(diào)節(jié)VersaDisk-1030的波長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)OPO的波長(zhǎng)(2-5μm),OPO的最大輸出功率達(dá)3W(3W@2954nm,用VersaDisk1030-20 SF泵浦)。
· 玻色-愛因斯坦凝聚和光鑷:
  在玻色-愛因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)中,VersaDisk-1030可以用來(lái)建立激光俘獲;而在光鑷應(yīng)用中,VersaDisk-1030可以用來(lái)輸運(yùn)原子和分子。
· 材料微加工:
  由于VersaDisk-1030同時(shí)擁有高功率(最大達(dá)100W)和優(yōu)秀的光束質(zhì)量(TEM00,線偏振),使得它在印刷工業(yè)中可以對(duì)清篩輥進(jìn)行精確的雕刻,而且打出的孔比其它激光器要深而且干凈。

(2)VersaDisk-515的應(yīng)用
· 高功率Ti:Sa激光器和染料激光器的泵浦源:
  由于Ti:Sa晶體在515nm處的吸收系數(shù)要高于其在532nm處的吸收系數(shù)(圖8,吸收效率要高18%),所以VersaDisk-515是泵浦Ti:Sa激光器的理想泵浦源。
  此外,由于515nm的波長(zhǎng)短于532nm,所以VersaDisk-515可以更高效地用來(lái)泵浦染料激光器。

                                                                           
                                         圖8 鈦寶石的吸收和發(fā)射譜
 

· 全息、干涉、光存儲(chǔ)等其它需要激光器單頻特性的應(yīng)用領(lǐng)域:
  由于VersaDisk-515的波長(zhǎng)可以調(diào)諧并精確地固定在514.5nm,因此可以完全代替氬離子激光器用于全息、干涉、光存儲(chǔ)和其他需要單頻輸出的應(yīng)用領(lǐng)域,并可以解決氬離子激光器耗水耗電的弊端。
· 絕對(duì)頻率穩(wěn)定:
  在絕對(duì)頻率穩(wěn)定應(yīng)用中,VersaDisk-515可以與外部標(biāo)準(zhǔn)頻率源(碘吸收池)鎖定在一起,使其線寬小于1MHz,而絕對(duì)頻率由碘分子的特征譜線決定(圖9)。

           
          圖9 絕對(duì)頻率穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)布局圖(還有其它3種實(shí)驗(yàn)布局可供選擇)

 

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