陶瓷激光器及其工作原理.docx

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1、陶瓷激光器及其工作原理新型激光陶瓷是继单晶和玻璃之后又一种优秀的激光介质，它不仅具备良好的材料和光学特性，而且具有强大的制备优势，伴随激光透明陶瓷先进制造技术的不断发展，光学级、高掺杂、大尺寸、多功能透明陶瓷越来越多的被应用在固体激光器设计和制造中，凭借优异光电功能的特性，激光透明陶瓷的研发和应用不仅延伸至传统固体激光器的各个领域，并表现出比传统激光晶体更加优异的性能，而且不断突破现有固体激光技术的局限，有力的推动了新型固体激光器的发展。按工作物质形状来分类，透明陶瓷激光器可以分为棒状激光器、板条激光器,碟片激光器和光纤激光器等4类。1、高效陶瓷棒状激光器采用与传统Nd:

2、YAG固体激光器相同的谐振腔结构，可分为侧面泵浦（见图1）和端面泵浦（见图2）两种类型。由于将高掺杂浓度的透明陶瓷圆棒作为激光介质，从而使光-光转换效率有显著提高。图1侧面泵浦激光器结构图3高效率Nd：YAG透明陶瓷激光器对于侧面泵浦结构，泵浦源可以是灯泵浦，也可以采用激光二极管。图3所示为中科院上海光学精密机械研究所采用超均匀侧面泵浦技术在1at.%Nd:YAG陶瓷棒中获得输出功率236W，斜率效率62%的连续激光输出。图中(a)为侧面泵浦Nd:YAG陶瓷棒激光器的实验装置原理，图(b)为Nd:YAG陶瓷激光器的截面示意图，采用超均匀侧面激光二极管阵列泵浦。2、陶器板条

3、激光器普通固体激光器激光工作物质的几何形状为圆棒状，温度梯度的方向与光传播方向垂直，在热负荷条件下运转时，将产生严重的热透镜效应和热光畸变效应，使得光束质量降低，并限制了激光功率的进一步提高。板条激光器（见图4、5）的工作物质为板条形状，该激光器从结构上克服了激光棒的热变形(热透镜效应)，故有功率大(达2kW以上)、光束发散角小(接近衍射极限)，可获得高质量激光输出，从而提高了加工能力，可进行超深加工，如钻孔深达76mm，切割厚度达40mm。图4单板条DPL激光器结构示意图图5双板条串接DPL激光器结构示意图在陶瓷板条激光器中，温度梯度发生在板条厚度方向上(板条宽度方向上

4、的两侧面被热绝缘)，而光在厚度方向的两侧面(即泵浦面)上发生内全反射，呈锯齿形光路在两泵浦面之间传播，光传播方向近似与温度梯度方向平行，可基本避免热透镜效应和热光畸变效应，大幅度提高了激光输出功率。其发展方向是用大功率半导体列阵激光器侧向面泵浦，以获得更高的效率和更好的光束质量。美国达信公司用其特有的ThinZag技术和大尺寸的陶瓷Nd∶YAG薄板条作为激光增益介质,六个增益模块串联（见图6）形成谐振腔单口径实现100kW的激光输出，单模块可实现17KW的激光输出。图6ThinZag增益模块结构示意图3、碟片激光器碟片式激光器（DiskLaser）的晶体形状为薄碟片，增益

5、介质通常是Yb：YAG晶体、Nd：YAG晶体和用于宽波长调谐的掺镱增益介质。激光透明陶瓷作为性能相近的光电功能材料，有望应用于碟片激光器设计和制造。　　碟片激光器增益介质通常厚度为200μm，直径为10mm，由半导体激光器从晶体的前表面进行泵浦，近似于常用的端泵技术。薄片晶体整个粘接在热沉上，所以晶体的冷却效率非常高（见图7）。图7碟片激光器原理图由于晶体的厚度很薄所以每次半导体激光器的泵浦光穿过激光晶体时只有一部分泵浦光被其吸收为了提高它的泵浦效率在其前部放置一块抛物面镜使未被吸收的泵浦光多次通过晶体来提高泵浦效率，一般的次数为32次，从而产生很强的激光辐射（见图8）。

6、图8端面泵浦碟片激光器结构示意图薄碟片中的增益介质是晶体，通常是Yb：YAG、Nd：YAG和用于宽波长调谐的掺镱增益介质。　　碟片激光器设计理念的提出，有效地解决了固体激光器的热效应问题，实现了固体激光器高平均功率、高峰值功率、高效率、高光束质量的完美结合。目前全球仅有德国Trumpf公司具有生产高功率碟片激光器的技术，最高功率达到16千瓦，光束质量达到8毫米/毫弧度，实现了机械手的激光远程焊接和大幅面激光高速切割，为固体激光在高功率激光加工领域开辟了广阔的应用市场。4、陶瓷光纤激光器陶瓷光纤激光器由日本WorldLabo.Co实验室Ikesue课题组提出构想，并成功制备

7、出双端冷却帽结构的Nd:YAG陶瓷光纤，如图9所示。由于YAG陶瓷的热机械性能远优于传统光纤所用的石英基质，陶瓷光纤单位长度所能承受的功率密度8W/cm远高于石英光纤(约1.3W/cm)，探索高功率陶瓷光纤激光器将有广阔的应用前景。目前国内相关报道比较少见。图9Nd：YAG陶瓷光纤的形态此外，超短脉冲陶瓷激光器和复合结构陶瓷激光器也将是陶瓷激光器的重要研究方向。