一直以來，Nd:YAG（釹：釔鋁石榴石）等摻釹晶體都被用作激光增益介質(zhì)。通過光泵浦，它們能產(chǎn)生接近 1 µm 的輸出波長，并且釹的激發(fā)態(tài)壽命允許實現(xiàn)連續(xù)波（CW）和脈沖（Q 開關(guān)）運轉(zhuǎn)。

使用橢圓反射鏡將強光閃光燈和弧光燈的輸出聚焦到圓柱形激光晶體棒中，形成增益模塊。然后將該增益模塊安裝到激光腔中，激光腔的長度通常為幾英寸，具體由激光腔中常用的全反射鏡和半反射鏡或輸出耦合鏡之間的距離決定。

這種燈泵方法存在幾個局限性。首先，泵浦效率低下，部分原因是燈在將電能轉(zhuǎn)化為泵浦光方面效率低下，并且會產(chǎn)生大量不想要的熱量。但更重要的是，這些燈在可見光和紅外波段會產(chǎn)生寬帶發(fā)射。因此，大部分泵浦光不會被激光增益晶體吸收，最終只會在泵浦模塊中產(chǎn)生更多的熱量，而這些熱量必須通過激光頭的水冷來帶走。而且，這些燈還需要幾千瓦的電源供電。

對于許多工業(yè)應(yīng)用來說，燈泵最大的缺點是 CW 弧光燈的壽命短，必須每 200-600 小時更換一次。當更換燈泡后，通常需要對腔內(nèi)光學器元件重新對準，以保持激光器的良好輸出模式。實際上，這種頻繁的日常維護恰恰掩蓋了燈泵的另一個局限性——無論是否更換燈泡，燈泵機制的光學對準往往會隨著時間的推移而漂移，因此需要定期重新對準。半導體泵浦消除了這些限制和缺點。

半導體泵浦的原理很簡單。摻釹激光晶體在 808 nm 和 880 nm 處具有強烈的尖銳吸收峰，而 InGaAs 半導體激光二極管很容易產(chǎn)生這些波長（見圖 1）。激光二極管將其大部分電輸入轉(zhuǎn)換為激光，然后被摻釹晶體有效吸收。半導體泵浦激光器的插座效率比燈泵浦激光器的高出許多倍。

圖1：閃光燈在寬光譜范圍內(nèi)發(fā)光（b），但 Nd:YAG 等激光晶體僅吸收窄波段的光（a）。半導體激光器僅發(fā)射在這些波段（b）中的一個波長，半導體激光器泵浦相對高效。

除了電效率之外，半導體泵浦方法還有其他幾個主要優(yōu)點。根據(jù)輸出功率，這些激光器產(chǎn)生的熱量相對較少，因此可能不會像燈泵激光器那樣需要大量冷卻水。此外，二極管由低壓電源供電，該電源與單相（110/220V）線路兼容，或與一些激光機床中的較低電壓的設(shè)備相兼容。

此外，由于二極管的緊湊尺寸，因此也可以大大縮小激光頭的尺寸。

對于原始設(shè)備制造商（OEM）和工業(yè)終端用戶而言，二極管的長壽命是另一項優(yōu)勢，這項優(yōu)勢能最大限度地減少維護時的停機時間。事實上，隨著半導體泵浦固態(tài)（DPSS）激光器中使用的二極管的可靠性不斷提高，DPSS 激光器可以實現(xiàn)長達多年的不間斷運轉(zhuǎn)。

激光器的結(jié)構(gòu)

將半導體激光泵浦光引入激光晶體有幾種基本方法，其中常用的兩種方法是端面泵浦和側(cè)面泵浦。一般來說，端泵激光器能提供高質(zhì)量輸出光束，并且在高達數(shù)十瓦的功率下，具備先進的性能和穩(wěn)定性；而側(cè)泵激光器則犧牲了光束質(zhì)量，以提供高達幾千瓦的原始功率。

在側(cè)面泵浦中，半導體激光巴條或疊陣圍繞激光晶體呈圓柱形排列（見圖 2）。每個巴條的輸出光，經(jīng)過一個柱面透鏡和/或透鏡陣列來聚焦。因此，大量晶體被泵浦光照射，實現(xiàn)高功率和多模輸出（M2>100）。這些被泵浦的晶體，每一個都作為獨立模塊安裝。高功率激光器包含多個串聯(lián)的模塊，每個模塊用于放大前一個模塊的輸出。

圖 2：側(cè)面泵浦使大量泵浦巴條（或疊陣）圍繞在單個激光棒周圍。

通常，側(cè)泵激光器是從早期的燈泵設(shè)計中衍生而來的。盡管如此，它們比傳統(tǒng)的燈泵激光器具有顯著的可靠性優(yōu)勢，并且在焊接和金屬切割等重型材料加工應(yīng)用中脫穎而出。

側(cè)泵的目標是將盡可能多的功率有效地耦合到輸出的激光中。相比之下，端泵將盡可能多的二極管輸出耦合到晶體的 TEM00 模式體積中。這不僅產(chǎn)生了較低 M2 值的輸出，而且實現(xiàn)了最有效的諧波轉(zhuǎn)換，提供了綠光和紫外波長。

端面泵浦的一種更傳統(tǒng)的方法是光纖耦合，如 FCbar（光纖耦合激光二極管巴條）中使用的光纖耦合技術(shù)。該技術(shù)最初由 Spectra-Physics 公司開發(fā)，其中每個半導體激光器端面都耦合到一個單獨的光纖中。然后將光纖環(huán)形捆綁，從而將高度不對稱的二極管巴條輸出，轉(zhuǎn)換為適合激光晶體高效端面泵浦的高亮度光斑（見圖 3）。此外，由于FCbar 模塊安裝在電源中，光纖連接到激光頭，因此可以在現(xiàn)場簡單更換，而無需任何光學重新對準。

圖3：端面泵浦允許半導體激光器的模體積與激光腔的 TEM00 模體積相匹配。

這種架構(gòu)可以從緊湊、堅固、免維護的封裝中，產(chǎn)生高質(zhì)量（M2<1.2）光束，并具有出色的維護壽命。同樣重要的是，靈活的二極管泵浦技術(shù)提供了廣泛的輸出功率，可以選擇 CW、Q 開關(guān)和鎖模輸出。

隨著激光二極管技術(shù)的創(chuàng)新和單管輸出功率的增加，更先進的端泵設(shè)計使用了單管激光器，其輸出直接通過光纖耦合到激光頭內(nèi)，從而使激光頭的集成和更換更加容易。如今，二極管的預(yù)期壽命超過 10 年，特別是在低于其最大額定功率（稱為降額）運轉(zhuǎn)時。事實上，這種設(shè)計技術(shù)使得這些模塊在多年的連續(xù)運轉(zhuǎn)中，幾乎不需要對泵浦激光器進行維護。此外，將二極管集成在激光頭中的一個附帶好處是，消除了外部光纖耦合可能產(chǎn)生的潛在問題，使激光頭的更換簡單快捷。

由于可靠性的提高和成本的降低，端泵固態(tài)激光器滿足了很多高精度工業(yè)應(yīng)用場景的需求，如 PCB、Flex PCB 的鉆孔和切割、電阻器微調(diào)、增材制造、立體光刻（快速成型）、ITO 刻圖、檢測、制圖、精密打標，以及從玻璃和硅到陶瓷和金屬等各種材料的微加工。此外，它們的低擁有成本和操作簡單性，也使得那些使用早期激光器成本較高或不切實際的應(yīng)用得以實現(xiàn)。

自從引入半導體泵浦以來，人們已經(jīng)研究了許多激光晶體的幾何形狀，并取得了不同程度的商業(yè)成功。最重要的幾種晶體形狀是圓柱形棒、板條和碟片（見圖 4）。根據(jù)功率/模式要求，板條和棒狀激光晶體可以設(shè)計為端泵或側(cè)泵，而碟片晶體只能進行端面泵浦。通常，棒狀晶體在低/中功率、高模式質(zhì)量應(yīng)用中占主導地位，而板條和碟片晶體通常用于高功率激光器。

圖4：在商用半導體泵浦激光器中，激光晶體通常為碟片、棒狀或板條。

YAG和YVO4

燈泵激光器中使用的最常見的摻釹材料是 Nd:YAG，它提供了相對易于生長、大且無缺陷的晶體，并且在光學和機械性能上都很堅固。另一種材料 Nd:YVO4（釹：釩酸釔），比 Nd:YAG 具有更高的增益。然而，長期以來，人們并沒有將 Nd:YVO4 作為一種商業(yè)材料，因為這種晶體很難生長（即無法制造出用于燈泵系統(tǒng)的足夠長度）。隨著端泵結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，能夠使用更小的激光晶體才使得 Nd:YVO4 具有了更多的吸引力。此外，Nd:YVO4 能實現(xiàn)更短的脈沖長度，這對于很多應(yīng)用都是有利的。

Nd:YVO4 的增益大約是 Nd:YAG 的5.5倍。這意味著：Nd:YVO4 允許非常短的脈沖（<10ns）調(diào) Q 輸出，并且在高重復(fù)頻率下具有優(yōu)異的脈沖-脈沖穩(wěn)定性（見表 1）。與 Nd:YAG 不同，Nd:YVO4 具有很強的雙折射性和自然偏振性。因此，Nd:YVO4 激光器的輸出自然偏振，無需腔內(nèi)偏振器。

對于端泵激光器，Nd:YVO4 通常是高頻脈沖（>10kHz）和 CW 運轉(zhuǎn)的首選材料。事實上，這種高增益材料的成熟，對于將這些激光器的功率提高到市場需求水平至關(guān)重要。另一方面，Nd:YAG 仍然常用于許多以較低重復(fù)頻率運轉(zhuǎn)的激光器中。

新型 Nd:YVO4 和 Nd:YAG 激光器的增益效率提高和緊湊設(shè)計，也顯著降低了成本。

完全密封的激光器

在許多應(yīng)用中，通常首選使用棒狀晶體的端泵激光器，這主要是因為它們幾乎是零維護工作。降額（遠低于其最大額定功率）運轉(zhuǎn)的泵浦二極管，可以將激光器的壽命延長到遠超過 10 萬小時。

這允許采用一種新的將整個諧振腔密封起來的設(shè)計方法，這種設(shè)計在可靠性、穩(wěn)定性、光束質(zhì)量、緊湊封裝和操作簡單性方面，設(shè)定了新標準。對于工業(yè)應(yīng)用，這些優(yōu)勢將轉(zhuǎn)化為低擁有成本和高加工產(chǎn)量。

具體來說，通過使用密封腔，完全消除了對準漂移和光學表面污染的傳統(tǒng)缺陷。有幾種成功的方法可以做到這一點。MKS 公司采用的一體式方法是將所有光學元件，沿著封閉箱內(nèi)的一個工字梁結(jié)構(gòu)的橫梁牢固地安裝（見圖 5）。這種工字梁結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)異的扭轉(zhuǎn)剛度和穩(wěn)定性。而且，即使腔溫發(fā)生變化，工字梁結(jié)構(gòu)也會均勻膨脹，確保光學元件沿著同一個中心軸完美地對準。

圖 5：實現(xiàn)激光腔長期穩(wěn)定性的一種方法是，將所有光學元件安裝在一個剛性工字梁上。

此外，光學支架全部為金屬材質(zhì)，以便最低限度地使用環(huán)氧樹脂或其他釋放氣體的組件。由于不需要調(diào)節(jié)或清潔腔內(nèi)光學元件，因此激光器在潔凈室中組裝和測試，然后在工廠密封，消除了光學表面污染這一故障機制。同樣重要的是，使用小型、不可調(diào)節(jié)的支架和光纖耦合二極管，可以實現(xiàn)極其緊湊的激光器。

綠光和紫外輸出

近紅外（1.06 µm）輸出可用于電阻微調(diào)和金屬表面打標等應(yīng)用，但許多激光應(yīng)用需要可見光或紫外波長。幸運的是，使用 LBO（三硼酸鋰）和 BBO（硼酸鋇）等非線性晶體，可以將端泵激光器產(chǎn)生的TEM00 輸出光，有效地二倍頻到 532 nm、三倍頻到 355 nm 甚至四倍頻到 266 nm。

在半導體泵浦的 CW 激光器的當前功率水平下，必須將非線性晶體放置在激光腔內(nèi)，以獲得有用的二次諧波功率水平。Spectra-Physics 于1996 年推出了第一臺多波長連續(xù)綠光激光器 Millennia。如今，這些激光器已經(jīng)比較成熟，其輸出功率已經(jīng)超過 25 W。

鎖模 CW 激光器提供了獲得更高功率的綠光和紫外輸出的另一種途徑。SBR（可飽和布拉格反射鏡）技術(shù)實現(xiàn)了簡單的鎖模，其足夠牢固可靠，能夠滿足要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用需求。鎖模激光器的高峰值功率，允許非常有效的腔外二倍頻和三倍頻，在 355 nm 能提供數(shù)瓦的功率。此外，高重復(fù)頻率（80 MHz）意味著這些準 CW 激光器，已經(jīng)在許多 CW 紫外應(yīng)用中取代了笨重的離子激光器。

調(diào) Q 脈沖激光器的峰值功率足以實現(xiàn)腔外二倍頻和三倍頻。密封的一體式激光器的穩(wěn)定對準特性，使得可以通過簡單的“螺栓連接”，為其添加二倍頻和三倍頻模塊，以及更具成本效益的集成式諧波轉(zhuǎn)換方法。

圖 6：具有顛覆性性價比的 Talon 激光器。

最新的技術(shù)進展

對于拓展調(diào) Q 半導體泵浦激光器的應(yīng)用，有三個激光發(fā)展領(lǐng)域特別值得注意，包括提高脈沖重復(fù)頻率、增強可用的綠光（532 nm）和紫外（355 nm）輸出功率，以及在時域中操縱激光輸出脈沖。提高脈沖重復(fù)頻率對工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要，因為它可以直接帶來加工產(chǎn)量的增加和/或質(zhì)量的提高。更高的綠光和紫外輸出功率，能夠以更高的精度加工更多材料，從而滿足大規(guī)模生產(chǎn)的微電子產(chǎn)品等對更高密度組件的需求。在時域中調(diào)節(jié)輸出脈沖，意味著能夠更多地控制光與材料相互作用的效率，以提高加工速度和質(zhì)量。

圖 7：體積非常緊湊的 Explorer XP 激光器。

脈沖重復(fù)頻率通常是劃線和打標等高吞吐量應(yīng)用中的工藝限制因素。這里，并不能充分利用偏轉(zhuǎn)光束的激光振鏡的高掃描速度；必須降低掃描速度，以避免由于單個激光脈沖而沿切割邊緣產(chǎn)生條紋或“虛線”切割或凹槽。激光器制造商通過開發(fā)具有更高重復(fù)頻率的調(diào) Q 激光器，來應(yīng)對這一限制。

Nd:YVO4 通常是更高重復(fù)頻率激光器的首選材料，但是典型的端泵設(shè)計在最大重復(fù)頻率僅為 40~50 kHz 時提供峰值性能。傳統(tǒng)上，將這些激光器推向更高的重復(fù)頻率，會導致更低的單脈沖能量和更低的總功率，并且脈沖-脈沖間的噪聲會顯著增加。然而，最近的設(shè)計利用先進的泵浦方案和用于綠光和紫外輸出的諧波轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生了重復(fù)頻率范圍>700 kHz 的 Nd:YVO4 激光器，其具有低脈沖-脈沖間噪聲和仍然較短的脈沖寬度，這對于很多應(yīng)用都非常有利。

如前所述，半導體泵浦激光器的一個優(yōu)點是尺寸小巧。圖 7 顯示了一個非常緊湊的激光器，其紅外、綠光或紫外輸出的光束質(zhì)量幾乎接近衍射極限（TEM00），可以實現(xiàn)緊密聚焦和高空間分辨率。高可靠性、高重復(fù)頻率和高脈沖-脈沖穩(wěn)定性，使這種激光器適用于許多要求苛刻的應(yīng)用，如微加工、打標和 3D 立體光刻。通過將激光器和控制器集成到單個一體式封裝中，可以進一步減小整個激光系統(tǒng)的占地面積和體積。

突破性技術(shù)

半導體泵浦固體激光器領(lǐng)域最近取得的一項最重要的突破是混合光纖/DPSS 激光器，其將光纖激光技術(shù)和 DPSS 功率放大與高效諧波產(chǎn)生相結(jié)合。最新版本的混合光纖激光器（見圖 8），現(xiàn)在可以提供超過100 W 的紫外輸出功率。這種激光器能夠以超高的生產(chǎn)速度對廣泛的材料進行精密加工。

圖 8：混合光纖激光器。

混合光纖/DPSS 激光器的脈沖串加工模式，能實現(xiàn)更好的加工質(zhì)量或更快的加工速度，或兩者兼而有之，具體取決于被加工的材料。也有輸出綠光的混合光纖/DPSS 激光器，其更適合某些特定材料的加工�；旌霞軜�(gòu)能以幾乎接近衍射極限的光束質(zhì)量和非常低的光學噪聲，實現(xiàn)出色的加工性能。

高功率水平，與“控制和優(yōu)化脈沖寬度、組合”的能力和脈沖串工作模式相結(jié)合，能夠以非常高的速度對廣泛的材料進行高精度加工，這些材料包括硅、PCB 和陶瓷。表 2 總結(jié)了加工每種材料時，有利于加工質(zhì)量和速度的一些特性。最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用之一是切割智能手機和平板電腦/PC 中使用的蓋板玻璃，這是一種化學強化玻璃，切割速度可以高于 1.5 m/s。

結(jié)果表明，工藝配方開發(fā)需要極大的靈活性和精細化，以適應(yīng)工藝和用戶的目標。通過適當?shù)膮��?shù)優(yōu)化，可以實現(xiàn)高質(zhì)量和高產(chǎn)量，提高當今激光微加工工藝的能力，以應(yīng)對未來消費電子產(chǎn)品的制造挑戰(zhàn)。

圖 9：混合光纖/DPSS 皮秒工業(yè)紫外激光器。

由于其多功能性和極低的擁有成本，DPSS 混合激光器設(shè)計架構(gòu)已經(jīng)拓展到了工業(yè)超快激光器。圖 9 顯示了一種獨特的混合光纖/DPSS 工業(yè)皮秒激光器。這些皮秒混合光纖/DPSS 激光器結(jié)合了高功率輸出的性能、低擁有成本和多功能性，可以進一步優(yōu)化脈沖串模式下的皮秒加工，并且可以配置為 IR、綠光或UV輸出波長。

結(jié)論

半導體泵浦徹底改變了固態(tài)激光器的設(shè)計，并使創(chuàng)新設(shè)計能夠滿足當今制造工藝不斷變化的需求。使用該技術(shù)的最新發(fā)展，提供了獨特的優(yōu)勢組合，包括低功耗、低發(fā)熱、緊湊的封裝、出色的模式質(zhì)量、高脈沖-脈沖穩(wěn)定性、令人印象深刻的高可靠性，以及在寬工作范圍內(nèi)各種波長下的極高功率。通過定制這些激光器的性能以滿足一些新應(yīng)用的特定需求，激光器制造商為這些激光器在各種現(xiàn)有和新興應(yīng)用、以及獨特的新材料加工領(lǐng)域確保了一個健康市場；這些激光器的波長覆蓋 IR 到 UV 波段，脈沖寬度涵蓋了納秒到飛秒范圍。

作者 Arnd Krueger 和 Scott White, MKS/Spectra-Physics

轉(zhuǎn)自：MKS光電解決方案

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