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一文了解全固態(tài)激光器的發(fā)展

2021-11-25
來源:光電資訊

  科學技術的不斷進步推動固體激光技術更加進一步的提高和完善,激光將在人類生產(chǎn)生活發(fā)展過程中起到越來越重要的作用。

  從紅寶石激光器問世開始,全固態(tài)激光器的發(fā)展就如雨后春筍般迅猛,各國科學家在這一領域做出了許多貢獻。在首臺激光器誕生后兩年,美國學者Hall等人首先在實驗室研制出砷化鎵半導體激光器,獲得發(fā)射譜峰值波段為880nlll左右的激光,這一研究成果為后來將傳統(tǒng)的閃光燈泵浦源替換為激光二極管泵浦源提供了實驗基礎。

  接著在1964年,美國科學家Keyes等人就開始將半導體激光器技術應用在固體激光器中并成功實現(xiàn)了這一設想,使LD作為激勵源在實驗中得到證實,其實驗中所采用的增益介質(zhì)為CaF2:U3+(摻鈾鎢酸鈣)。

  1968年,麥道公司(現(xiàn)波音公司)的羅斯等人首先完成了用砷化鎵半導體激光器泵浦摻釹釔鋁石榴石晶體,實現(xiàn)了重復頻率為200Hz的脈沖輸出,為了使泵浦源的發(fā)射譜與增益介質(zhì)的吸收譜相匹配,二極管被冷卻到170K。

  1972年,研究學者Rosenkrantz使用砷化鎵半導體激光器泵浦摻釹釔鋁石榴石激光晶體,這次研究ZUI重要的貢獻在于實驗是在室溫下進行,使激光器擺脫了較為繁瑣的控溫步驟限制,為全固態(tài)激光器的大規(guī)模使用提供可能。

  1974年,Conant等人采用砷化鎵激光二極管泵浦摻釹釔鋁石榴石晶體,通過側(cè)面泵浦方式實現(xiàn)了120mW的激光輸出,受限于當時半導體制作工藝發(fā)展的不成熟,二極管自身功率和轉(zhuǎn)換效率不能達到理論要求,因而使其研究受到阻礙。

  1975年,Rice等學者對激光二極管泵浦摻釹釔鋁石榴石激光器進行研究,這次工作的主要成果是在端面泵浦方式下成功研制出準連續(xù)激光器。

  上世界八十年代,得益于半導體材料研究的不斷突破,激光二極管核心技術的發(fā)展也有了突飛猛進的進步,這時的激光二極管已經(jīng)開始打破了小功率工作的限制,并且使自身的工作效率成倍增加。

  與此同時,半導體激光器的發(fā)展還借鑒了當時先進的技術方法,采用材料科學中新研究出的量子阱和應變量子阱結構來提升晶體的制備工藝和性能,在這一時期發(fā)明了很多直到今天還在應用的工藝技術,如在薄膜制備中使用的分子束外延、化學氣相沉積等方法。這些技術的出現(xiàn)和應用使得全固態(tài)激光器的大規(guī)模使用成為實際。

  到1990年以后,DPSSL不再受限于泵浦源LD的輸出功率和波長匹配等因素的影響,進步十分明顯。

  1990年,美國錫萊亞太拉斯公司首次將半導體激光器的輸出功率提升到75W以上,為全固態(tài)激光器未來向更大功率的發(fā)展提供了更多的可能。

  l993年,Taguchi等學者采用半導體激光器泵浦摻釹釔鋁石榴石晶體得到了上千瓦的激光輸出,同時還實現(xiàn)了激光器件的輕量化,其體積等同于常用皮球的體積。

  1998年,德國研究學者Ozygus等人通過合理設計,采用雙激光晶體串接和半導體激光器側(cè)面泵浦方式實現(xiàn)了對摻釹釔鋁石榴石晶體的1600W激光輸出。

  2000年以后,研究學者和制造公司都意識到大功率激光器將會在未來社會發(fā)展中發(fā)揮重要的科學價值和經(jīng)濟價值,因而大力開展有關全固態(tài)激光器研究領域的課題,促進了激光器朝著更高水平的發(fā)展,在這一階段也產(chǎn)生了眾多的研究成果。

  二十一世紀初,美國LLNL國家實驗室Mitchell等科學家實現(xiàn)了1080W的激光輸出,主要用到的技術方法有采用半導體激光器端面泵浦方式,使用摻鐿釔鋁石榴石(Yb:YAG)作為增益介質(zhì)。

  2005年,美國Bruesselbach等學者成功實現(xiàn)了輸出功率為2.65kW的激光器的研制,主要難點是在于采用一根Yb:YAG晶體能夠輸出千瓦級別的大功率,其光一光轉(zhuǎn)效率為29.4%。

  我國激光技術從上世紀60年代初期開始發(fā)展。1961年,新中國首臺激光器于中科院長春光機所研制成功,這是我國激光技術的發(fā)端,從此開創(chuàng)了中國激光技術歷史的新篇章。

  上世紀八十年代中期,周炳煜等學者通過將完整的Nd:YAG激光介質(zhì)作為激光起振的光學腔,通過使用半導體激光器端面泵浦方式實現(xiàn)了4.4mW的輸出,其中心輻射波長為1.06pm。

  2004年,徐德剛等研究人員采用大功率激光二極管陣列泵浦Nd:YAG晶體,成功研制85W綠光激光器,光光轉(zhuǎn)換效率為9.7%。

  2007年,清華大學報道了使用激光二極管泵浦Yb:YAG復合晶體,獲得光束質(zhì)量M2為20、斜效率為34.8%、ZUI大輸出功率超123W的激光輸出。

  目前,全固態(tài)激光器憑借其重要的研究價值和優(yōu)秀的應用價值,吸引了全球各國學者的目光,對其的研究都在積極推進中。




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