半导体泵浦固体激光

DPSS激光是一种拥有长寿命、低功耗、高稳定性、光束质量好、能够小型化等多种优势的新一代固体激光器，DPSS激光器已经被运用在光纤通信、空间通讯、环境科学、大气研究、激光打印、医疗器械、光学图象处理等多个高科技领域。

这是一种新型激光器，应用层面比较广，近年在国际上发展很快。它使固体激光有了全新的发展，因此又称为“第二代激光器”。

半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续发射。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管（Laser diode）等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。

在基本构造上，它属于半导体的P-N接面，但激光二极管是以金属包层从两边夹住发光层（活性层），是“双异质接合构造”。而且在激光二极管中，将界面作为发射镜（共振腔）使用。在使用材料方面，有镓(Ga)、砷(As)、铟(In)、磷(P)等。此外在多重量子井型中，也使用Ga·Al·As等。

由于具有条状结构，即使是微小电流也会增加活性区域的居量反转密度，优点是激发容易呈现单一形式，而且，其寿命可达10~100万小时。

激光二极体的优点是效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也达到数%~25%，总而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的连续输出波长涵盖了红外到可见光范围，而光脉冲输出达50W（带宽100ns）等级的产品也已商业化，作为激光雷达或激发光源可说是非常容易使用的激光的例子。 2100433B

半导体泵浦固体激光（英语：Diode Pump Solid State Laser，DPSS Laser），是一种新型激光器，应用层面比较广，近年在国际上发展很快。

半导体泵浦固体激光的激光器利用半导体激光器输出固定波长的激光作为泵浦源，替代了以往用氪灯或氙灯泵浦激光晶体，并且它们通常出现在绿色和其他颜色等的激光笔中。

激光二极管是一种激光产生器，其工作物质是半导体，属于固体激光产生器，大部分激光二极管在结讲上与一般二极管相似。由于激光二极管的运作中，电子的能量转变过程只涉及两个能阶，没有间接带隙造成的能量损失，所以效率相对高。能发光的半导体电子元件，透过三价与五价元素所组成的复合光源。此种电子元件早在1962年出现，早期只能够发出低光度的红光，被惠普买下专利后当作指示灯利用。及后发展出其他单色光的版本，时至今日，能够发出的光已经遍及可见光、红外线及紫外线，光度亦提高到相当高的程度。用途由初时的指示灯及显示板等；随着白光发光二极管的出现，近年逐渐发展至被普遍用作照明用途。

半导体泵浦固体激光器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，使得半导体泵浦固体激光器的发展步上了一个崭新的台阶。在进入九十年代以来，大功率的半导体泵浦固体激光器及半导体泵浦固体激光器列阵技术也逐步成熟，从而，大大促进了半导体泵浦固体激光器的研究。

国内半导体泵浦固体激光器市场化水平已经达到数百瓦，实验室水平已经达到千瓦级。在应用上，大功率半导体泵浦固体激光器以材料加工为主，包括了常规的激光加工：主要是材料加工，如激光标记、激光焊接、激光切割和打孔等，结构紧凑、性能良好、工作可靠的大功率半导体泵浦固体激光打标机产品系列已经在国内得到了规模应用，在国外，千瓦级的半导体泵浦固体激光器已有产品，德国、美国汽车焊接就已经用到了千瓦级半导体泵浦固体激光焊剂机，在原理和技术方案上半导体泵浦固体激光器定标到万瓦都是可行的，主要受限于成本和市场需求的限制。二倍频半导体泵浦固体激光器在微电子行业、三倍频半导体泵浦固体激光器在激光快速成型领域都得到了广泛应用。

除材料加工外，大功率半导体泵浦固体激光器还可以用于同位素分离（二倍频、绿光）、激光核聚变、科学研究、医疗、检测、分析、通讯、投影显示以及军事国防等领域，具有极其重要的应用价值。

半导体泵浦固体激光器的种类很多，可以是连续的、脉冲的、调Q的，以及加倍频混频等非线性转换的。工作物质的形状有圆柱和板条状的。而泵浦的耦合方式可分为端面泵浦和侧面泵浦，其中端面泵浦又可分为直接端面泵浦和光纤耦合端面泵浦两种结构。

1、端面泵浦固体激光器

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。端面泵浦的效率较高。这是因为,在泵浦激光模式不太差的情况下，泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式有密切关系，匹配的效果好，因此，工作物质对泵浦光的利用率也相对高一些。

正是由于端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波长匹配的优点在国际上发展极为迅速，已成为激光学科的重点发展方向之一。它在激光打标、激光微加工、激光印刷、激光显示技术、激光医学和科研等领域都有广泛的用途，具有很大的市场潜力。

2、侧面泵浦固体激光器

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。半导体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%。

1、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。而半导体泵浦固体激光器所用的二极管发出固定的，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。

2、性能可靠、寿命长：激光二极管的寿命大大长于闪光灯，达15000小时以上，闪光灯的寿命只有300—1000小时。激光半导体的泵浦能量稳定性好，比闪光灯泵浦优一个能量级，性能可靠，可制成全固化器件。运行寿命长，成为至今为止唯一无需维护的激光器，尤其适用于大规模生产线。

3、输出光束质量好：由于半导体泵浦激光的高转换效率，减少了激光工作物质的热透镜效应，大大改善了激光器的输出光束质量，激光光束质量已接近理论极限。