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1、激光是二十世纪最伟大的发明之一。自1958年肖洛（A. Schawlow）和汤 斯（C. Townes）首篇光频下激光作用的论文以及1960年梅曼（T. Maiman）实 现红宝石激光器以来，激光科学与激光技术的发展日新月异。激光高技术对传 统学科和技术的发展产生巨大影响，以激光高技术为核心的相关产业已成为知 识经济时代和信息时代的重要驱动力量，并带动了10倍以上高技术产业发展。 激光高技术将在国民经济建设、军事和科学研究中发挥不可取代的关键作用， 是一项具有战略性,全局性和带动性的战略高技术。激光器按其工作物质来说，可分为固体、气体、液体、化学和自由电子激 光器几大类。其中，固体激光器由于具
2、有体积小，储能高、激发方案简单和可 靠性高等优点，一直处在激光研究的中心地位。大多数激光应用领域不仅仅需 要激光的输出功率高，而且要求激光光束质量好，表 1-1 给出了主要大功率激 光器特性比较一览表。从表 1-1 我们可以看出，基于半导体激光器和固体激光 技术发展起来的半导体激光泵浦固体激光器（DPL）是固体激光器发展历程上 的巨大革新，它摒弃了半导体激光器光束质量差的缺点，继承了固体激光器光 束质量好的优点；继承了半导体激光器效率高、寿命长的优点并摒弃了闪光灯 泵浦的固体激光器效率低、寿命短的缺点，集半导体激光器、固体激光器的优 势于一身，与传统闪光灯泵浦固体激光器和气体放电激光器相比可实
3、现更高光 束质量激光输出，且体积小10倍，效率和寿命均提高10倍，可靠性提高100 倍；与化学激光器相比，具有效率高（电光效率约为 17%）、波长短、能流密 度高、体积小而紧凑（全固化）、寿命长（万小时）、易操作、运转灵便（连续 /重复率/长/短脉冲）、易智能化、无污染等，再加上DPL输出功率动态范围极 大（从mW到TW），又便于模块化和电激励，其应用遍及工业生产、国防建 设、科学研究等众多领域。DPL实用化十年来的发展表明，DPL已成为固体激 光发展的主要方向，并呈现出旺盛的生命力，其应用领域渗透到工业生产、国 防建设、居家娱乐、科学研究等众多领域，将导致现有的器件更新换代，开拓 重大新领域
4、，成为国防和民用工业的新一代激光源。未来1020年将发展成 为高技术产业、国防建设重大的、不可取代的关键技术。在某种意义上说， DPL 不仅仅是泵浦源由闪光灯向半导体激光器转换的一个简单置换，由此产生的低热负载将显著提高激光输出功率、光束质量和电 光效率；更重要的是，由于半导体激光高的光谱亮度和可调谐特性，在相同的 热负载情况下，可将泵浦功率密度成量级的提高，使得在室温条件下闪光灯泵 浦不易实现大功率激光运转的激光介质重新焕发了生机，如： Yb:YAG 激光 1030nm谱线振荡、Tm:YAG激光2010nm激光振荡等，在这个意义上说，DPL 拓展了产生大功率固体激光的范围，因此可以说 DPL
5、 是固体激光器发展史上 的一次巨大的革命。1-1 主要大功率激光器特性比较一览表气体激光器 灯泵固体激光器 半导体激光器 全固态激光器体积大大寿命-短-短长长光束质量好好差好电光效率15%3%50%17%二端面泵浦技术(一) 固体激光器泵浦与激光晶体1激光晶体固体激光器离不开固体激光材料。DPSSL的效率及各方面性能主要取决于激 光工作物质的物理和化学性质。寻找适合高功率 LD 泵浦的新型固体激光材料也 是全固态激光器研究和开发不可缺少的一部分，并且已经成为材料领域研究和探 索的热点。性能优良的固体激光材料应该具有如下几个特点：1优良的光学均 匀性，即要求激光材料内尽量避免有杂质颗粒、包裹物、
6、气泡、生长条纹和应力 等缺陷，并使折射率不均匀性尽量小。材料内光学不均匀性会使通过其中的激光 波面发生变形，产生光程差，增大损耗，从而使激光器振荡阈值升高，激光转换 效率下降。2良好的光谱性能，即要求材料在泵浦辐射区有较强德吸收，而在 激光辐射区尽量弱；要有较强德荧光辐射、高的量子效率、合适的荧光寿命和受 激发射界面等。3优良的物理化学性能，即要求材料热膨胀系数小、比热高、 热导率高，光损伤阈值高，机械性能好，化学稳定性好，易于加工。目前，在高功率的DPSSL中应用比较广泛的激光材料有：Nd： YAG、Nd： YLF、 Nd： YV04、Yb： YAG晶体和Nd： YAG多晶陶瓷等。实验中主要
7、用到了这两种晶体：1) Nd： Y3A1501 2(Nd： YAG)晶体是目前研究和应用最广泛、输出功率最高的激 光材料。它属于立方晶系，光学性质为各向同性，机械性能好，热导率高，比 热较高，有最高的热破坏强度(ThermalFrac ture S treng th).可以用提拉法生长 出大尺寸、高质量的单晶它的荧光寿命比较长，常用于产生高能量和高峰值功 率的巨脉冲激光输出。然而，Nd： YAG晶体的泵浦吸收峰宽较窄，一般情况下泵 浦效率较低，在高泵浦功率下往往产生严重的热应力双折射和热透镜畸变 导致 输出光束质量和转换效率下降而且其受激发射截面不大。2) Nd： YV04 晶体由于自身独特的
8、光谱特性而使其非常适合于激光二极管泵浦。两个最突出的特点是：受激发射截面大，比Nd： YAG大五倍；对809nm波长存在 很强的宽吸收带，与泵浦LD匹配很理想。Nd： YVO。晶体是双折射晶体，在不同 偏振方向上的吸收和发射光谱存在着明显的差异，最强吸收和最强辐射都发生在 兀偏振方向(/c轴)。因此，Nd： YVO。的激光输出为兀偏振光，强烈的双折 射使附加的热致双折射退偏作用影响较小，并有利于减小热致损耗，以及腔内倍 频效率的提高。它的受激发射截面与荧光寿命乘积是Nd： YAG的2. 4倍，有利 于产生低阈值和高效率的激光输出。目前，LD泵浦Nd： YV04晶体、LBO腔内倍 频输出功率为1
9、0W的绿光激光器早己商品化。Nd： YV04晶体的主要缺点是热导 率较低，器件中的热聚焦作用比较强烈，热破坏强度也低于Nd： YAG,限制了其 在高功率固体激光器领域中的应用。此外它的荧光寿命比Nd： YAG短，不利于 储存能量以产生高能量和高峰值功率的巨脉冲激光。(二) 激光振荡器东西太多，待整理补充(三) 固体激光器热问题激光晶体吸收泵浦辐射发射，一般要使用冷却系统对其进行降温，以适应激 光运行的要求。这样，由于中心和表面温度不一致，在晶体内部产生了温度的梯 度分布，这被称作热梯度。热梯度不仅表征了晶体中温度的分布，而且不同的温 度分布将进一步在激光晶体中产生应力。晶体中的温度和应力变化引
10、起折射率的 变化。这样，通过激光晶体的光束的相位也会随之产生变化，由此而产生的这一 系列现象统称为热光效应。热光效应在获得大功率输出的一个非常关键的问题。1.温度分布为简单起见，我们考虑圆棒结构增益介质，泵浦均匀，侧面冷却的情况。此 时可假设，激光棒中产生的废热均匀分布，在光学无限长的圆柱棒表面的冷却也 均匀，则热流限于径向忽略端面效应及角向起伏。这时稳态热传导方程可简化为 一维形式：d 2Tdr2+1 dT+Q = or dr K(3-8)其中，T，r分别代表温度及离轴距离，Q，K分别是单位体积内生热率和材料的 热导率。求解式(38)，温度分布可表示为：T(r)二 T + (r2 - r2)
11、(39)0 4 K 0其中 r 为激光棒半径， T 为激光棒表面的温度。由式 (39)可知，温度分布呈抛物线型。棒中心的温度最高，棒表面温度最低。 单位体积的生热率Q可表示为：PQ = d(310)兀r 2 L0式中，L为棒长度，Pd为棒吸收的总热量。激光棒中心与表面的温度差，PT (0) T = d(3-11)04 兀 KL棒与冷却液之间的传热使棒的表面与冷却液之间产生温差。热稳态时，激光棒中 总共产生的热量 P 应该等于冷却液从棒表面带走的热量。从而有：dP 二 2兀 r Lh (T - T )(3-12)d 0 0 c式中，T为冷却液的温度；h为激光棒表面的热传导系数。结合式(3-12)
12、和式 c(3-11)可求得激光棒中心温度为：(1 1 )T(0) = T + P + (3-13)c d I 4 兀 KL 2兀 rLH 丿0 因此，根据几何结构、合适的系统和材料参数，就可以确定晶体内的热分布。但 是h的值计算比较复杂，其与冷却液的热学特性、质流比、雷诺数(Reynolds)、 普特朗数(Prandtl)、格拉肖夫数(Grashof数)和冷却几何结构有关。因此实 际工作中， h 值一般应由试验来测定。2热致应力温度分布 T(r) 在圆棒内产生的热致应力可以通过 Timoshenko 和 Goodier 给出的方程计算得到。方程(314)给出了无限长的各项同性棒中，按照方程(3
13、-9)给出的温度分布，得到的径向、切向和轴向应力，c,和: rzc (r) = QS(r2 一 r2)r0c (r) = QS(3r2 一 r2),0c (r)二 2QS(2r2 r2)z0(3-14)其中S二a eI16 K (1 -v )L包含激光材料的材料参数：a为热膨胀系数，E为激光 材料的杨氏模量，K是材料的热导率，v为泊松比。当各应力值为正时，为拉应 力状态，当为负号时位压应力。由于一般情况下，激光棒的中心温度比边缘的温 度高，所以激光棒的中心的膨胀比边缘大，处于压缩状态，棒的边缘处于拉伸状 态。从而棒中心区域应力值一般为负值，而棒表面的热致应力的切向和轴向分量 是正值，径向应力为
14、 0。棒表面总应力为它们的矢量和，可表示为：c (r)二P(3-15)max 08 兀 K (1 V ) L根据式(315)可发现，激光棒的表面总应力只与激光材料的物理参数和单位 长度材料内废热的功率有关，而与激光棒的截面积无关。如果泵浦光功率过大， 激光材料表面的膨胀也随之增大，并可能超过激光材料的抗张强度，出现热致碎 裂。然而一般工程设计时，还需要考虑留有富裕，激光棒所受到的应力值应小于 极限强度的 70 %。但是，由于实际情况不仅和以上计算中的各因素有关，还应 考虑到加工，材料本身质地等实际情况，因此直接通过计算得到的结果通常仅具 有参考价值。3热透镜效应受热下折射率变化可分解成与温度、
15、热致应力有关的变量，可由下式表示：n(r) = n + An(r) + An(r)(3-16)0T其中，n代表折射率的径向变化，n代表激光棒中心的折射率，An(r) , An(r)r0T分别代表与温度和应力的折射率变化量。根据前面温度分布计算：An(r)二T(r) -T 叫= -Qlr2(3-17)t0 dT4 K dT而应力导致的折射率变化对径向和切向有不同值，以常用的Nd:YAG激光棒为例，对于通光方向为 111棒：(3-18)Q n 3 a CAn( r)二一 o 吨 r 22 KC和.分别对应径向和切向方向的常数，都是材料光弹系数的函数。对于Nd:YAG，它们分别为0.017 和 0.0025。因此，总的折射率分布可写为：n(r)二 n0i-_Qdn2K ( 2n dT0+ n 2a Cr 20 川丿(3-19)由此可知，激光棒的折射率与半径r是二次关系。从而沿棒轴向传播的光束将出现空间相位二次方的变化，此扰动即相当于球面透镜效应，相对应的透镜焦距为(3-20)K ( 1 dn厂1n3 a CQL12 dT 0r 0 丿需要指出的是式(320)成立是有
