文/Florian Lenhardt，Joerg Neukum

摻釹（Nd）晶體，例如Nd：YAG和Nd：YVO₄，用于最早獲得商業(yè)成功的固態(tài)激光器。在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，這些激光器中的晶體增益介質(zhì)是由閃光燈泵浦的。因此，過去這些激光器的效率非常低，其中部分原因是閃光燈產(chǎn)生寬廣的連續(xù)波長(zhǎng)，而Nd離子的吸收光譜則由尖銳的譜帶和譜線組成（見圖1）。結(jié)果，大多數(shù)泵浦光的能量都以熱量的形式被浪費(fèi)掉了，因此需要對(duì)晶體進(jìn)行水冷。之后，壽命較長(zhǎng)且功率可擴(kuò)展的激光二極管的成熟，推動(dòng)了二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光器的革命性發(fā)展。在DPSS激光器中，發(fā)射808nm波長(zhǎng)的激光二極管作為泵浦源，以匹配了Nd的強(qiáng)吸收峰。

圖1：Nd：YVO₄的近紅外吸收光譜。多年來，激光器設(shè)計(jì)人員專門致力于泵浦808nm的強(qiáng)吸收峰。通常沿晶體的b軸泵浦，放大的單獨(dú)圖表示沿a軸和c軸的偏振光。

DPSS激光器（通常是調(diào)Q輸出）的可靠性和長(zhǎng)壽命，已經(jīng)支持了從制造醫(yī)療設(shè)備到集成電路封裝的不斷增長(zhǎng)的工業(yè)應(yīng)用。這些應(yīng)用已經(jīng)越來越依賴于近紅外基頻波長(zhǎng)的二倍頻和三倍頻，以此來提供綠光和紫外輸出，目的是優(yōu)化微加工工藝。大多數(shù)DPSS激光器中都采用端泵方式。通過使用光纖耦合激光二極管，可以將激光二極管放置在遠(yuǎn)離激光腔的地方，從而簡(jiǎn)化了維護(hù)工作，并降低了激光頭中的熱管理。

DPSS的熱挑戰(zhàn)

然而，激光晶體本身產(chǎn)生的熱量，最終限制了端泵DPSS激光器在一些應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，這些應(yīng)用主要是需要更高功率和TEM₀₀光束的應(yīng)用（良好的光束質(zhì)量對(duì)于實(shí)現(xiàn)有效的二次諧波產(chǎn)生/SHG和三次諧波產(chǎn)生/THG至關(guān)重要）。例如，與激光二極管相比，以808nm泵浦的DPSS激光器效率低得令人驚訝。造成這種情況的一個(gè)重要原因是量子數(shù)虧損很大，即808nm泵浦光子與1064nm Nd輸出之間的能量差。從技術(shù)上講，808nm泵浦使Nd以四能級(jí)激光器運(yùn)作，本身效率低。此外，增益晶體中產(chǎn)生的這種過多熱量，限制了能夠通過流動(dòng)水傳導(dǎo)冷卻晶體表面的晶體尺寸。此外，熱累積會(huì)導(dǎo)致晶體中產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)；而且，隨著激光功率的變化而改變其聚焦特性（見圖2）。這損害了輸出模式的質(zhì)量，導(dǎo)致較低的SHG/THG效率，并限制了這些激光器在某些切割、鉆孔和劃線應(yīng)用中，可以實(shí)現(xiàn)的精度和邊緣質(zhì)量。

圖2：端面泵浦可以提供更好的模式質(zhì)量，但是由吸收光導(dǎo)致的熱透鏡效應(yīng)，可能會(huì)成為獲得更好光束質(zhì)量的障礙。

產(chǎn)生的熱量也位于泵浦輸入面附近，由于泵浦光被強(qiáng)烈吸收，因此這也使得泵浦光滲透進(jìn)入晶體的深度有限。通過從兩端泵浦晶體的方式，能夠在一定程度上減輕這種影響，不過這樣做的代價(jià)是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。盡管如此，典型的DPSS激光器使用的晶體長(zhǎng)度只有8mm或更短，并且輸出功率受到限制，只有在某種最佳功率水平下，其光束質(zhì)量才可以接受。在越來越多的應(yīng)用中，這種性能會(huì)對(duì)加工吞吐量和材料厚度產(chǎn)生負(fù)面影響。

更低的量子虧損和三能級(jí)效率

市場(chǎng)對(duì)更高功率和高光束質(zhì)量的需求，已經(jīng)迫使激光器設(shè)計(jì)者重新考慮DPSS激光器的設(shè)計(jì)問題。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了這樣一種解決方案：即在880nm附近這個(gè)相對(duì)較弱的吸收峰處，泵浦Nd（見圖1）。具體來說，現(xiàn)在市場(chǎng)上能夠提供的激光二極管泵浦模塊，可以在三個(gè)“新”波長(zhǎng)處泵浦Nd，即878.6nm、885nm和888nm。通過在封裝的激光二極管模塊中集成體布拉格光柵（VBG），可將波長(zhǎng)鎖定在目標(biāo)值，從而不需要再對(duì)激光二極管的溫度進(jìn)行精確控制。所有這些長(zhǎng)波長(zhǎng)都比傳統(tǒng)的808nm泵浦波長(zhǎng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，尤其是888nm，還具有其他重要的與偏振相關(guān)的優(yōu)勢(shì)。

使用這些長(zhǎng)波長(zhǎng)的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，與808nm泵浦相比，能將量子虧損顯著減少50％以上。這個(gè)優(yōu)勢(shì)的直接結(jié)果是，由此而產(chǎn)生的多余熱量也減少了50％以上。此外，該DPSS激光器現(xiàn)在能作為準(zhǔn)三能級(jí)激光器運(yùn)行，這在本質(zhì)上要比808nm泵浦驅(qū)動(dòng)的四能級(jí)系統(tǒng)更加高效。最為重要的是，更多的泵浦功率被轉(zhuǎn)換為DPSS輸出，因此需要管理的熱量浪費(fèi)更少。

更低的吸收和更大的泵浦體積

使用三個(gè)“新”波長(zhǎng)泵浦Nd的另一項(xiàng)重要的效率優(yōu)勢(shì)是：因?yàn)镹d的吸收峰在880nm處比808nm處低得多；降低的吸收強(qiáng)度使得泵浦光可以更深入地滲透到增益晶體中（見圖3）。這樣一來就增加了泵浦體積，即可吸收光的體積，因此，這也使得晶體中產(chǎn)生不必要熱量的體積減少了。

圖3：Nd：YVO₄晶體吸收泵浦功率的深度取決于泵浦波長(zhǎng)：用809nm泵浦短晶體，泵浦光的穿透深度較小（a）；用880nm泵浦長(zhǎng)晶體，泵浦光的穿透深度較大，幾乎穿透了整個(gè)晶體長(zhǎng)度（b）。

從圖3中可以看出，使用880nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)泵浦產(chǎn)生的熱量更少，并且該熱量散布在更大的體積上。因此，這種組合允許使用更長(zhǎng)的晶體（例如30mm），這些晶體也可以安全地以高功率泵浦，并且其熱透鏡效應(yīng)更低，這樣就能在更寬的輸出功率范圍內(nèi)，提供更好的光束質(zhì)量。因此，新一代的調(diào)Q輸出DPSS激光器應(yīng)運(yùn)而生，特別是綠光和紫外光DPSS激光器，它們所提供的輸出功率，為更好地探討眾多微加工應(yīng)用提供了更多可能。

888nm是最佳泵浦波長(zhǎng)

出于多種原因，激光晶體通常沿其b軸泵浦。對(duì)于808nm和880nm的泵浦光，在a軸和c軸上產(chǎn)生的吸收效果非常不同，并且當(dāng)泵浦光沿著c軸偏振時(shí)，吸收會(huì)強(qiáng)得多，如圖1所示。問題是光纖傳輸?shù)谋闷止馐亲匀环瞧�振的。因此，如果將來自光纖的泵浦光直接聚焦到晶體中，則不能針對(duì)泵浦功率和目標(biāo)DPSS激光器工作特性，來完全優(yōu)化晶體摻雜和晶體長(zhǎng)度。

如果針對(duì)a軸吸收對(duì)晶體進(jìn)行優(yōu)化，那么將有一半的光會(huì)穿透到晶體中很深的部位。相反，如果針對(duì)c軸吸收對(duì)晶體進(jìn)行優(yōu)化，則會(huì)有一半的光將無法在晶體中穿透得足夠深。為了解決這個(gè)難題，通常使用偏振立方分束器將來自光纖的光分開。具有“錯(cuò)誤”偏振的50％被傳輸?shù)皆鲆婢�體的另一端，并使用波片將其偏振旋轉(zhuǎn)90°，以便所有泵浦功率以相同的強(qiáng)度被吸收。這種泵浦方案對(duì)由移動(dòng)光纖引起的偏振變化非常敏感，這可能導(dǎo)致晶體中泵浦吸收程度的急劇變化，從而導(dǎo)致DPSS激光器的功率不穩(wěn)定。

但是，在888nm處，晶體對(duì)于沿a軸和c軸偏振的吸收非常相似，如圖1所示。此外，在888nm處，Nd的吸收光譜隨泵浦波長(zhǎng)輕微變化。因此，泵浦光可以直接從光纖耦合到晶體中，而無需中繼光學(xué)元件和波片，也不需要兩端泵浦所需的重復(fù)聚焦和二向色光學(xué)元件。此外，888nm泵浦方案對(duì)光纖移動(dòng)的敏感性大大降低，甚至可以忽略不計(jì)。目前，相干公司可提供888nm泵浦模塊。

在888nm處，吸收強(qiáng)度相對(duì)于微小波長(zhǎng)變化的依賴性較弱，這具備另一項(xiàng)非常重要的好處：泵浦的主動(dòng)波長(zhǎng)鎖定（包括嚴(yán)格的溫度控制）對(duì)于穩(wěn)定的DPSS輸出不再至關(guān)重要。這樣一來，就簡(jiǎn)化了激光器并降低了組件和組裝成本。但是，使用集成VBG的被動(dòng)波長(zhǎng)穩(wěn)定仍然是首選，因?yàn)檫@種方法可以將由于二極管驅(qū)動(dòng)電流變化而引起的任何波長(zhǎng)偏移減至最小，從而帶來更寬的性能范圍。最終結(jié)果是，DPSS激光器的功率與888nm下的二極管驅(qū)動(dòng)電流成線性比例關(guān)系。對(duì)于需要調(diào)制或者由于任何原因必須改變功率的任何應(yīng)用，這都是非常有價(jià)值的特性。

單發(fā)射器架構(gòu)

相干公司最近推出了稱為FACTOR的新型光纖耦合二極管模塊系列，其提供三種新的可選波長(zhǎng)：878.6nm、885nm和888nm。這些優(yōu)點(diǎn)檢查的幾個(gè)技術(shù)方面因素如下。首先，F(xiàn)ACTOR模塊均基于單發(fā)射器形式。每個(gè)模塊都包含一系列單發(fā)射器，所有這些發(fā)射器都位于一塊公共基板上，并且全部對(duì)準(zhǔn)以耦合到單個(gè)永久連接的輸出光纖中。為什么選用單發(fā)射器？如前所述，效率是長(zhǎng)波長(zhǎng)泵浦的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，可提供更高的功率、更好的光束質(zhì)量、線性調(diào)制、更低的成本，以及更低的碳排放以實(shí)現(xiàn)更加綠色環(huán)保的制造。

使用散熱效果好的單發(fā)射器，可以非常有效地冷卻二極管。這樣，就允許二極管可以在接近其最大功率下工作，而不必?fù)?dān)心熱量積累會(huì)影響性能或縮短壽命。這種方案能最大程度地減少所需要的發(fā)射器總數(shù)，從而降低DPSS制造商的組件成本。另外，單發(fā)射器的輸出也更容易耦合到光纖中。結(jié)合復(fù)雜的光纖耦合概念，這些新型FACTOR系列模塊將提供出色的耦合效率，從而進(jìn)一步提高DPSS的效率。

制造基于單發(fā)射器架構(gòu)的光纖耦合泵浦模塊并非沒有挑戰(zhàn)，但相干公司的垂直整合已經(jīng)為所有挑戰(zhàn)提供了解決方案。除了組裝和測(cè)試這些模塊外，相干公司還在內(nèi)部制造所有關(guān)鍵組件，從用于制造激光二極管的晶圓，到VBG濾光片、再到傳輸光纖等等。對(duì)這些組件的生產(chǎn)進(jìn)行全面控制，可確保高性能和高可靠性，并延長(zhǎng)使用壽命。