什么是二极管泵浦固体激光器(DPSS)?

发布时间:2023-02-10 03:02:13.000Z

DPSS是Diode Pumped Solid State (DPSS) Lasers的简称。

二极管泵浦固体(DPSS)激光器是用激光二极管泵浦的固体激光器。它们提供非常短的纳秒级脉冲,具有很高的峰值功率和重复率,而且热输入很少。这些激光器可提供各种不同的波长,具有非常好的光束质量。这些激光器的增益介质是掺有杂质的玻璃或晶体,如钕、铬、铒或其他离子。这种增益介质被放置在两个镜像表面之间。这种激光器中主要使用的激光晶体是掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺钕正钒酸钇(Nd:YVO4,)和磷酸钛钾(KTP)。KTP晶体在极高的输出水平下对光学损伤很敏感。DPSS激光器是用具有较长寿命的二极管模块进行光学泵浦的。由于激光二极管具有较低的噪声强度,所以二极管泵浦激光器的噪声也非常低。图1表示DPSS激光器的内部图。

图1:DPSS激光器的内部示意图

DPSS激光器是连续波激光器,也可以通过Q开关在脉冲模式下工作。这些激光器对温度很敏感。与闪光灯泵浦激光器相比,它们的设计更紧凑,激光头更小,而且非常高效、可靠和灵活。它们还需要非常少的维护。这种激光器有可能产生谐波,允许从紫外线到红外线的波长发射。常用的DPSS激光器是532纳米的绿色激光器。DPSS激光器利用二极管激光器的窄线宽特性和高亮度。这导致了最大的吸收,从而提高了效率。

DPSS激光器的工作原理

包含激光晶体的增益介质被放置在一个用两面镜子形成的谐振之间。其中一面镜子是完全反射的,另一面是部分反射的。来自激光二极管的激光用聚焦透镜聚焦在增益介质上。在绿色发射的DPSS激光器中,砷化铝(AlGaAs)二极管模块以808纳米的波长泵浦Nd:YAG激光器,导致1064纳米波长的激光发射。激光通过部分反射镜传输,并通过输出耦合器出来。这个波长通过KTP晶体中的非线性光学过程进行频率加倍,产生532纳米的波长。图2表示DPSS激光器的原理图。

图2:DPSS激光器的示意图

激光可以改变材料系统的光学特性。在频率倍增中,也称为二次谐波产生,频率为ω的光子与具有二阶非线性光感度χ(2)的非线性介质或晶体相互作用,形成频率为2ω的两倍的光子。二阶非线性光学相互作用只能发生在非中心对称的晶体中,即不显示反转对称性的晶体。当频率为ω的基波光束在非线性晶体中传播时,其强度被耗尽,频率为2ω的二次谐波的强度开始增长。二次谐波的产生将固定频率的激光器的输出转换到不同的光谱区域。例如,Nd:YAG激光器在近红外范围内工作,波长为1.06 µm。二次谐波发生器将这一波长转换为0.53微米,处于可见光谱的中间。

图3:二次谐波产生的几何学和能级图

在图3中,两个频率为ω的光子被转换为频率为2ω的光子。对于频率加倍,必须满足相位匹配的条件,它是由:

∆k = k2 – 2k1 = 0

其中k1和k2分别是基波和二次谐波波束的文数。通过对晶体的角度调整,达到相位匹配的条件。

泵浦机制

二极管泵浦的固体激光器是使用激光二极管进行光学泵浦的。不同类型的激光二极管被用于此目的。小型边缘发射激光二极管被用来泵浦功率不超过200 mW的低功率激光器。这些激光器的光束质量是有衍射限制的。广域激光二极管被用来结束对输出功率为几瓦的固体激光器的泵浦。它们有一个不对称的光束质量。高功率激光器是用输出功率超过100瓦的高功率二极管棒进行泵浦。这些激光器的光束质量也是不对称的,而且很差。它们的辐射度比低功率二极管低。光束整形器被用来使光束轮廓对称,以便光束可以用来泵送巨大的激光器和将光耦合到光纤中。对于更高的功率,如多千瓦,可以使用二极管堆来侧面泵浦激光器。这些激光器的光束质量和辐射度也较低。二极管泵浦的主要缺点是它需要每瓦泵浦功率的高成本。

DPSS激光器的能级图

DPSS激光器是一个四级激光系统,如图4所示。在二极管泵浦Nd:YAG激光器的情况下,处于基态E0的原子或分子吸收激光二极管的808纳米波长,并被激发到寿命较短的能级E3。因此,它们会进行非辐射过渡到能级E2。

图4:二极管泵浦的Nd:YAG激光器的能级转换

E2是一个可转移的状态,其寿命很高。这有助于在能级E2和E1之间形成群体反转。因此,发射波长为1064纳米的激光发生在这两个层次之间。然后,原子从E1向基态E0进行非辐射过渡。DPSS激光器的输出波长因二极管而异。

DPSS激光器的应用

二极管泵浦固体激光器被用于各种应用,如医学、牙科、军事、工业、研究等。这些激光器被用来为体育赛事、音乐会和其他大型集会创造明亮和多彩的显示效果。它们被用于科学研究,研究材料和分子的特性。它们被用于工业应用,如对准和定位、激光切割、焊接、钻孔、熔覆、硬化、修剪等。这些激光器产生高度集中的强光束,可以切割和焊接从金属到塑料的材料。

DPSS激光器在医疗和牙科领域也有应用。在这些领域,它们被用于不同的程序,如激光治疗、激光手术和激光辅助牙科。这些激光器可以去除组织或修复损伤,而不会对周围地区造成很大的损害。

它们也被用于军事和航空航天领域。在军事方面,它们被用于通信、远程音频间谍、防御性反措施、目标指定和武器研究。例如,DPSS激光器被用于猎雷系统,以探测和分类从海底到地面的地雷。这个激光系统从直升机上拖到水下,它给操作人员提供实时声纳图像,以查看和记录类似地雷的物体。DPSS激光器被用作月球侦察轨道器(LRO)卫星的测距器。为美国宇航局重返月球做准备的月球表面的精确地图是LRO的目标之一。地面站包含DPSS激光器,用于确定卫星的范围和航天器的位置。因为这项技术,月球的方向和重力得到了更好的了解,这对研究月球的结构和导航非常重要。

 

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