《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一文了解全固態(tài)激光器的發(fā)展

2021-11-25
來(lái)源:光電資訊
關(guān)鍵詞: 全固態(tài)激光器

  科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步推動(dòng)固體激光技術(shù)更加進(jìn)一步的提高和完善,激光將在人類生產(chǎn)生活發(fā)展過(guò)程中起到越來(lái)越重要的作用。

  從紅寶石激光器問(wèn)世開(kāi)始,全固態(tài)激光器的發(fā)展就如雨后春筍般迅猛,各國(guó)科學(xué)家在這一領(lǐng)域做出了許多貢獻(xiàn)。在首臺(tái)激光器誕生后兩年,美國(guó)學(xué)者Hall等人首先在實(shí)驗(yàn)室研制出砷化鎵半導(dǎo)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(lái)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

  接著在1964年,美國(guó)科學(xué)家Keyes等人就開(kāi)始將半導(dǎo)體激光器技術(shù)應(yīng)用在固體激光器中并成功實(shí)現(xiàn)了這一設(shè)想,使LD作為激勵(lì)源在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí),其實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體激光器泵浦摻釹釔鋁石榴石晶體,實(shí)現(xiàn)了重復(fù)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(xué)者Rosenkrantz使用砷化鎵半導(dǎo)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(xiàn)在于實(shí)驗(yàn)是在室溫下進(jìn)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(guò)側(cè)面泵浦方式實(shí)現(xiàn)了120mW的激光輸出,受限于當(dāng)時(shí)半導(dǎo)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(dá)到理論要求,因而使其研究受到阻礙。

  1975年,Rice等學(xué)者對(duì)激光二極管泵浦摻釹釔鋁石榴石激光器進(jìn)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(zhǔn)連續(xù)激光器。

  上世界八十年代,得益于半導(dǎo)體材料研究的不斷突破,激光二極管核心技術(shù)的發(fā)展也有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步,這時(shí)的激光二極管已經(jīng)開(kāi)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(shí),半導(dǎo)體激光器的發(fā)展還借鑒了當(dāng)時(shí)先進(jìn)的技術(shù)方法,采用材料科學(xué)中新研究出的量子阱和應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)來(lái)提升晶體的制備工藝和性能,在這一時(shí)期發(fā)明了很多直到今天還在應(yīng)用的工藝技術(shù),如在薄膜制備中使用的分子束外延、化學(xué)氣相沉積等方法。這些技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用使得全固態(tài)激光器的大規(guī)模使用成為實(shí)際。

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

  1990年,美國(guó)錫萊亞太拉斯公司首次將半導(dǎo)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(lái)向更大功率的發(fā)展提供了更多的可能。

  l993年,Taguchi等學(xué)者采用半導(dǎo)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(shí)還實(shí)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(guó)研究學(xué)者Ozygus等人通過(guò)合理設(shè)計(jì),采用雙激光晶體串接和半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)摻釹釔鋁石榴石晶體的1600W激光輸出。

  2000年以后,研究學(xué)者和制造公司都意識(shí)到大功率激光器將會(huì)在未來(lái)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮重要的科學(xué)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,因而大力開(kāi)展有關(guān)全固態(tài)激光器研究領(lǐng)域的課題,促進(jìn)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(jì)初,美國(guó)LLNL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Mitchell等科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了1080W的激光輸出,主要用到的技術(shù)方法有采用半導(dǎo)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(guó)Bruesselbach等學(xué)者成功實(shí)現(xiàn)了輸出功率為2.65kW的激光器的研制,主要難點(diǎn)是在于采用一根Yb:YAG晶體能夠輸出千瓦級(jí)別的大功率,其光一光轉(zhuǎn)效率為29.4%。

  我國(guó)激光技術(shù)從上世紀(jì)60年代初期開(kāi)始發(fā)展。1961年,新中國(guó)首臺(tái)激光器于中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研制成功,這是我國(guó)激光技術(shù)的發(fā)端,從此開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)激光技術(shù)歷史的新篇章。

  上世紀(jì)八十年代中期,周炳煜等學(xué)者通過(guò)將完整的Nd:YAG激光介質(zhì)作為激光起振的光學(xué)腔,通過(guò)使用半導(dǎo)體激光器端面泵浦方式實(shí)現(xiàn)了4.4mW的輸出,其中心輻射波長(zhǎng)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(xué)報(bào)道了使用激光二極管泵浦Yb:YAG復(fù)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?jī)r(jià)值和優(yōu)秀的應(yīng)用價(jià)值,吸引了全球各國(guó)學(xué)者的目光,對(duì)其的研究都在積極推進(jìn)中。




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