文/Florian Lenhardt，Joerg Neukum

摻釹（Nd）晶體，例如Nd：YAG和Nd：YVO₄，用于最早獲得商業(yè)成功的固態(tài)激光器。在過去很長一段時間內，這些激光器中的晶體增益介質是由閃光燈泵浦的。因此，過去這些激光器的效率非常低，其中部分原因是閃光燈產生寬廣的連續(xù)波長，而Nd離子的吸收光譜則由尖銳的譜帶和譜線組成（見圖1）。結果，大多數(shù)泵浦光的能量都以熱量的形式被浪費掉了，因此需要對晶體進行水冷。之后，壽命較長且功率可擴展的激光二極管的成熟，推動了二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光器的革命性發(fā)展。在DPSS激光器中，發(fā)射808nm波長的激光二極管作為泵浦源，以匹配了Nd的強吸收峰。

圖1：Nd：YVO₄的近紅外吸收光譜。多年來，激光器設計人員專門致力于泵浦808nm的強吸收峰。通常沿晶體的b軸泵浦，放大的單獨圖表示沿a軸和c軸的偏振光。

DPSS激光器（通常是調Q輸出）的可靠性和長壽命，已經支持了從制造醫(yī)療設備到集成電路封裝的不斷增長的工業(yè)應用。這些應用已經越來越依賴于近紅外基頻波長的二倍頻和三倍頻，以此來提供綠光和紫外輸出，目的是優(yōu)化微加工工藝。大多數(shù)DPSS激光器中都采用端泵方式。通過使用光纖耦合激光二極管，可以將激光二極管放置在遠離激光腔的地方，從而簡化了維護工作，并降低了激光頭中的熱管理。

DPSS的熱挑戰(zhàn)

然而，激光晶體本身產生的熱量，最終限制了端泵DPSS激光器在一些應用領域的發(fā)展，這些應用主要是需要更高功率和TEM₀₀光束的應用（良好的光束質量對于實現(xiàn)有效的二次諧波產生/SHG和三次諧波產生/THG至關重要）。例如，與激光二極管相比，以808nm泵浦的DPSS激光器效率低得令人驚訝。造成這種情況的一個重要原因是量子數(shù)虧損很大，即808nm泵浦光子與1064nm Nd輸出之間的能量差。從技術上講，808nm泵浦使Nd以四能級激光器運作，本身效率低。此外，增益晶體中產生的這種過多熱量，限制了能夠通過流動水傳導冷卻晶體表面的晶體尺寸。此外，熱累積會導致晶體中產生熱透鏡效應；而且，隨著激光功率的變化而改變其聚焦特性（見圖2）。這損害了輸出模式的質量，導致較低的SHG/THG效率，并限制了這些激光器在某些切割、鉆孔和劃線應用中，可以實現(xiàn)的精度和邊緣質量。

圖2：端面泵浦可以提供更好的模式質量，但是由吸收光導致的熱透鏡效應，可能會成為獲得更好光束質量的障礙。

產生的熱量也位于泵浦輸入面附近，由于泵浦光被強烈吸收，因此這也使得泵浦光滲透進入晶體的深度有限。通過從兩端泵浦晶體的方式，能夠在一定程度上減輕這種影響，不過這樣做的代價是增加了系統(tǒng)的復雜性。盡管如此，典型的DPSS激光器使用的晶體長度只有8mm或更短，并且輸出功率受到限制，只有在某種最佳功率水平下，其光束質量才可以接受。在越來越多的應用中，這種性能會對加工吞吐量和材料厚度產生負面影響。

更低的量子虧損和三能級效率

市場對更高功率和高光束質量的需求，已經迫使激光器設計者重新考慮DPSS激光器的設計問題。目前市場上已經出現(xiàn)了這樣一種解決方案：即在880nm附近這個相對較弱的吸收峰處，泵浦Nd（見圖1）。具體來說，現(xiàn)在市場上能夠提供的激光二極管泵浦模塊，可以在三個“新”波長處泵浦Nd，即878.6nm、885nm和888nm。通過在封裝的激光二極管模塊中集成體布拉格光柵（VBG），可將波長鎖定在目標值，從而不需要再對激光二極管的溫度進行精確控制。所有這些長波長都比傳統(tǒng)的808nm泵浦波長具有諸多優(yōu)勢，尤其是888nm，還具有其他重要的與偏振相關的優(yōu)勢。

使用這些長波長的第一個優(yōu)點是，與808nm泵浦相比，能將量子虧損顯著減少50％以上。這個優(yōu)勢的直接結果是，由此而產生的多余熱量也減少了50％以上。此外，該DPSS激光器現(xiàn)在能作為準三能級激光器運行，這在本質上要比808nm泵浦驅動的四能級系統(tǒng)更加高效。最為重要的是，更多的泵浦功率被轉換為DPSS輸出，因此需要管理的熱量浪費更少。

更低的吸收和更大的泵浦體積

使用三個“新”波長泵浦Nd的另一項重要的效率優(yōu)勢是：因為Nd的吸收峰在880nm處比808nm處低得多；降低的吸收強度使得泵浦光可以更深入地滲透到增益晶體中（見圖3）。這樣一來就增加了泵浦體積，即可吸收光的體積，因此，這也使得晶體中產生不必要熱量的體積減少了。

圖3：Nd：YVO₄晶體吸收泵浦功率的深度取決于泵浦波長：用809nm泵浦短晶體，泵浦光的穿透深度較�。╝）；用880nm泵浦長晶體，泵浦光的穿透深度較大，幾乎穿透了整個晶體長度（b）。

從圖3中可以看出，使用880nm的長波長泵浦產生的熱量更少，并且該熱量散布在更大的體積上。因此，這種組合允許使用更長的晶體（例如30mm），這些晶體也可以安全地以高功率泵浦，并且其熱透鏡效應更低，這樣就能在更寬的輸出功率范圍內，提供更好的光束質量。因此，新一代的調Q輸出DPSS激光器應運而生，特別是綠光和紫外光DPSS激光器，它們所提供的輸出功率，為更好地探討眾多微加工應用提供了更多可能。

888nm是最佳泵浦波長

出于多種原因，激光晶體通常沿其b軸泵浦。對于808nm和880nm的泵浦光，在a軸和c軸上產生的吸收效果非常不同，并且當泵浦光沿著c軸偏振時，吸收會強得多，如圖1所示。問題是光纖傳輸?shù)谋闷止馐亲匀环瞧�振的。因此，如果將來自光纖的泵浦光直接聚焦到晶體中，則不能針對泵浦功率和目標DPSS激光器工作特性，來完全優(yōu)化晶體摻雜和晶體長度。

如果針對a軸吸收對晶體進行優(yōu)化，那么將有一半的光會穿透到晶體中很深的部位。相反，如果針對c軸吸收對晶體進行優(yōu)化，則會有一半的光將無法在晶體中穿透得足夠深。為了解決這個難題，通常使用偏振立方分束器將來自光纖的光分開。具有“錯誤”偏振的50％被傳輸?shù)皆鲆婢�體的另一端，并使用波片將其偏振旋轉90°，以便所有泵浦功率以相同的強度被吸收。這種泵浦方案對由移動光纖引起的偏振變化非常敏感，這可能導致晶體中泵浦吸收程度的急劇變化，從而導致DPSS激光器的功率不穩(wěn)定。

但是，在888nm處，晶體對于沿a軸和c軸偏振的吸收非常相似，如圖1所示。此外，在888nm處，Nd的吸收光譜隨泵浦波長輕微變化。因此，泵浦光可以直接從光纖耦合到晶體中，而無需中繼光學元件和波片，也不需要兩端泵浦所需的重復聚焦和二向色光學元件。此外，888nm泵浦方案對光纖移動的敏感性大大降低，甚至可以忽略不計。目前，相干公司可提供888nm泵浦模塊。

在888nm處，吸收強度相對于微小波長變化的依賴性較弱，這具備另一項非常重要的好處：泵浦的主動波長鎖定（包括嚴格的溫度控制）對于穩(wěn)定的DPSS輸出不再至關重要。這樣一來，就簡化了激光器并降低了組件和組裝成本。但是，使用集成VBG的被動波長穩(wěn)定仍然是首選，因為這種方法可以將由于二極管驅動電流變化而引起的任何波長偏移減至最小，從而帶來更寬的性能范圍。最終結果是，DPSS激光器的功率與888nm下的二極管驅動電流成線性比例關系。對于需要調制或者由于任何原因必須改變功率的任何應用，這都是非常有價值的特性。

單發(fā)射器架構

相干公司最近推出了稱為FACTOR的新型光纖耦合二極管模塊系列，其提供三種新的可選波長：878.6nm、885nm和888nm。這些優(yōu)點檢查的幾個技術方面因素如下。首先，F(xiàn)ACTOR模塊均基于單發(fā)射器形式。每個模塊都包含一系列單發(fā)射器，所有這些發(fā)射器都位于一塊公共基板上，并且全部對準以耦合到單個永久連接的輸出光纖中。為什么選用單發(fā)射器？如前所述，效率是長波長泵浦的一個主要優(yōu)勢，可提供更高的功率、更好的光束質量、線性調制、更低的成本，以及更低的碳排放以實現(xiàn)更加綠色環(huán)保的制造。

使用散熱效果好的單發(fā)射器，可以非常有效地冷卻二極管。這樣，就允許二極管可以在接近其最大功率下工作，而不必擔心熱量積累會影響性能或縮短壽命。這種方案能最大程度地減少所需要的發(fā)射器總數(shù)，從而降低DPSS制造商的組件成本。另外，單發(fā)射器的輸出也更容易耦合到光纖中。結合復雜的光纖耦合概念，這些新型FACTOR系列模塊將提供出色的耦合效率，從而進一步提高DPSS的效率。

制造基于單發(fā)射器架構的光纖耦合泵浦模塊并非沒有挑戰(zhàn)，但相干公司的垂直整合已經為所有挑戰(zhàn)提供了解決方案。除了組裝和測試這些模塊外，相干公司還在內部制造所有關鍵組件，從用于制造激光二極管的晶圓，到VBG濾光片、再到傳輸光纖等等。對這些組件的生產進行全面控制，可確保高性能和高可靠性，并延長使用壽命。