一、引言
第一臺連續YAG 激光器于1964 年實現運轉，近40 年來YAG 激光器一直與CO2激光器同受重視，是第二類最重要的工業激光器，目前世界范圍內銷售的商品YAG 激光器已有500 種，但從1998 年開始，Nd:YAG 激光器的市場占有率和銷售額已升為第一位。
傳統的固體YAG 激光器，通常由摻釹釔鋁石榴石晶體棒，泵浦燈、聚光腔、光學諧振腔、電源及制冷系統組成，其轉換效率為2%到3%。由于泵浦燈發射的光譜只有極小部分被晶體棒所吸收并轉換成激光能量，大部分注入電功率轉換成熱能，其直接害處一方面表現為大量的熱能造成激光晶體不可消除的熱透鏡效應，使激光光束質量變差；另一方面整個激光器需要龐大的制冷系統，體積很大。泵浦燈的壽命約為300 到1000 小時，操作人員需花很多時間頻繁的換燈，中斷系統工作，使自動化生產線的效率大大降低。有關專家認為，燈泵浦固體激光器的發展已到盡頭，技術上沒有大的發展空間，二極管泵浦固體激光器（全固化固體激光器）將取代燈泵浦固體激光器。
二極管泵浦固體激光器的技術核心包括光束耦合、光束質量、電源技術、控制系統及系統集成。二極管泵浦技術的出現，為固體激光器注入了新的生機和活力，使固體激光器的一場革命，這是固體激光器的發展方向。近年來由于大功率激光二極管制造工藝的成熟和生產成本的降低，使二極管泵浦固體激光器的研究得到了飛快的發展，且已正式進入商品化。世界著名的激光公司Rofin-Sinar 所銷售的激光工業加工設備中60％已是二極管泵浦的固體激光器。
與傳統燈泵浦固體激光器比較，二極管泵浦固體激光器具有以下優點：
(1) 轉換效率高：正如圖1 所示，由于半導體激光的發射波長與固體激光工作物質的吸收峰相吻合，加之泵浦光模式可以很好地與激光振蕩模式相匹配，從而光光轉換效率很高，已達50％以上[1]，整機效率也可以與二氧化碳激光器相當，比燈泵固體激光器高出一個量級，因而二極管泵浦激光器可省去笨重的水冷系統，體積小、重量輕，結構緊湊。
(2) 性能可靠、壽命長：激光二極管的壽命大大長于閃光燈，達 15000 小時以上，而閃光燈的壽命只有300-1000 小時。激光二極管的泵浦能量穩定性好，比閃光燈泵浦優一個數量級，性能可靠，可制成全固化器件。運行壽命長，成為至今為止唯一無需維護的激光器，尤其適用于大規模生產線。
(3) 輸出光束質量好：由于二極管泵浦激光的高轉換效率，減少了激光工作物質的熱透鏡效應，大大改善了激光器的輸出光束質量，激光光束質量已接近理論極限M2 = 1。激光二極管陣列的功率雖然已可以達到很大，但本身輸出光束發散角大，且發射波長有限，而用二極管泵浦激光則可以大大改善其光束質量，并且可擴展發射波長。這就是用二極管泵浦激光器，而不是直接將激光二極管應用于工業上的原因。
二、激光器結構
1. 基本結構
為了獲得大功率的激光輸出，將三個大功率激光二極管陣列排在激光晶體周圍，在側面將二極管激光能量耦合到激光晶體上，其結構見圖2。由于二極管激光束的發散角很大，達40°，激光束需經柱面鏡聚焦到激光晶體上，激光晶體用導流管包圍，冷卻水在導流管及激光晶體表面間流動，使晶體冷卻。導流管的另一作用是防治冷卻水污染激光二極管。合理的設計使二極管激光能量有效地耦合到激光晶體上，并有效地為Nd:YAG激光束振蕩放大所利用。
2. 激光二極管驅動電源
激光二極管驅動電源以單片機為核心，由電源模塊、控制電路、保護電路、通信模塊、狀態指示與電流顯示電路組成。該系統最高連續輸出電流可達50A，二極管偏置電壓可達500VDC。在該全固化固體激光器中，電流設計為40A，二極管偏置電壓20VDC，是為連續輸出60W 激光功率的激光器提供驅動和控制的專用系統。
3. 激光器冷卻系統
冷卻系統由壓縮機、膨脹閥、冷凝器、熱交換器、水泵、水箱、流量開關、水流計等組成。根據激光器的冷卻要求選擇水流量及并設定水溫。一般情況下，激光二極管的冷卻水溫設定在25oC。最大制冷量要求應為注入到激光二極管的電功率減去激光功率再加上水泵的發熱量。
4. 激光諧振腔
標準的激光諧振腔由一個全反鏡和一個輸出耦合鏡組成。考慮激光晶體的熱透鏡效應，將激光晶體等效成一個焦距為f0 的透鏡[2]。根據有關文獻，我們可以設定f0=300mm, 將激光諧振腔設計成一個穩定腔。為了得到小的發散角，則通過增加諧振腔長度來實現，其代價為激光功率的減少。
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