批准号 |
60608005 |
项目名称 |
半导体激光器泵浦的非平面环形腔蓝光固体激光器 |
项目类别 |
青年科学基金项目 |
申请代码 |
F0506 |
项目负责人 |
吴克瑛 |
负责人职称 |
助理研究员 |
依托单位 |
清华大学 |
研究期限 |
2007-01-01 至 2009-12-31 |
支持经费 |
27(万元) |
全固态蓝激光器因其在激光彩色显示、激光高密度数据存储、激光光谱学、激光打印、激光生物医学、激光水下成像与通讯等领域的广泛应用,近年来备受人们重视。半导体激光器泵浦的角锥棱镜式非平面环形腔固体激光器具有紧凑、高效、稳定的特点,是申请者发明的自主知识产权技术。在其腔内加入倍频晶体,可得到高效稳定的单频蓝色激光输出,有效克服由于多纵模竞争引起的功率起伏。本项目研究角锥棱镜非平面腔中泵浦光耦合,腔体结构,增益晶体和倍频晶体的大小、位置等参数,介质膜系数以及热透镜效应等对基频光产生,倍频光输出的影响。旨在得到稳定高效的单频473nm蓝色激光,激光输出功率>100mW。
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...
半导体激光器是激光器的一种,工作物质是半导体做的,所以就叫。。。激光工作物质,是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系,有时也称为激光增益媒质,它们可以是固体(晶体、玻璃)、气体(原...
半导体泵浦激光器产生废热少,所需冷却系统小,一般只需1匹的冷水机即可,需灯泵浦激光器一般都需要二匹以上的冷水机,同时需要较大水泵以提供较大的冷却水流。因此其运行灯泵浦激光标记机的运行噪音较大,同时...
采用一种阶梯排列结构的单管激光器合束技术制成了高亮度半导体激光器光纤耦合模块,可用于泵浦掺Yb3+大模场双包层光纤激光器。利用微透镜组对各单管半导体激光器进行快慢轴准直,在快轴方向实现光束叠加,然后通过两组消球差设计的柱面透镜组分别对合成光束快慢轴方向进行聚焦,耦合进入光纤。实验中将6只输出功率为6 W的976 nm单管半导体激光器输出光束耦合进芯径为105μm、数值孔径为0.15的光纤中,当工作电流为6.2 A时,光纤输出功率达29.0 W,光纤耦合效率达到80.1%,亮度超过4.74 MW/cm2-str。
应用ZEMAX光学设计软件模拟了一种多芯片半导体激光器光纤耦合模块,将12支808nm单芯片半导体激光器输出光束耦合进数值孔径0.22、纤芯直径105μm的光纤中,每支半导体激光器功率10 W,光纤输出端面功率达到116.84W,光纤耦合效率达到97.36%,亮度达到8.88MW/(cm2·sr)。通过ZEMAX和ORIGIN软件分析了光纤对接出现误差以及单芯片半导体激光器安装出现误差时对光纤耦合效率的影响,得出误差对光纤耦合效率影响的严重程度从大到小分别为垂轴误差、轴向误差、角向误差。
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%。
激光器的腔体可以有谐振腔和外腔之分。在谐振腔里,激光器的损耗有很多种类,比如偏折损耗,法布里珀罗谐振腔就有较大偏折损耗,而共焦腔的偏折损耗较小,适合于小功率连续输出激光,还比如反转粒子的无辐射跃迁损耗(这类损耗可以归为白噪声)等等之类的,都是腔长长损耗大。激光器阈值电流不过就是能让激光器起振的电流,谐振腔长短的不同可以使得阈值电流有所不同,半导体激光器中,像边发射激光器腔长较长,阈值电流相对较大,而垂直腔面发射激光器腔长极短,阈值电流就非常低了。这些都不是一两句话可以说的清楚的,它们各自的速率方程也都不同,不是一两个式子能解释的。另外谐振腔长度不同也可以达到选模的作用,即输出激光的频率不同。