摘要：介紹了薄片式固體激光器的原理，Yb:YAG晶體的特性及其與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG晶體固體激光器的對比，VersaDisk固體激光器作為一個光學平臺所具有的強大功能及給用戶所帶來的方便靈活和擴展空間，最后介紹了該激光器在科研領域的應用。
薄片式半導體泵浦固體激光器被認為是近期來激光技術(shù)最著名的進展之一。它基于一種革命性的固體激光器設計理念，最近幾年中已經(jīng)成為科研及工業(yè)加工的得力助手，最近幾年更是進入了批量化生產(chǎn)階段。薄片式固體激光器可以輸出很高的功率（連續(xù)或脈沖），同時擁有非常好的光束質(zhì)量。http://www.bjlaser.com/
Yb:YAG激光晶體作為特殊的激光工作物質(zhì)，它不僅具有YAG激光基質(zhì)材料本身優(yōu)良的物理性質(zhì)和穩(wěn)定的化學性能，而且具有很好的激光工作性能。激光波長為1030nm，峰值吸收波長在940nm附近，吸收帶寬很寬（18nm@940nm），熒光壽命長(0.95ms)，量子效率高（91%），在相同的半導體泵浦功率下，Yb:YAG泵浦生熱為Nd:YAG的1／3。能夠很容易的被可靠的InGaAs半導體激光器所泵浦，是一種新型的、適合LD泵浦的高平均功率和高光束質(zhì)量的發(fā)射1um左右波長的激光材料。另外，由于其二倍頻是515nm，接近Ar離子激光器的波長514.5nm，從而使其有可能替換用戶現(xiàn)存的大量氬離子激光器，因此在激光領域內(nèi)受到越來越多的關注。
由德國斯圖加特大學的Adolf Giesen博士及其研究小組發(fā)明的薄片式固體激光器技術(shù)，其性能遠遠超過采用傳統(tǒng)棒狀晶體設計的Nd:YAG固體激光器。由于該項專利是由德國政府資助的，所以只能許可給德國的激光公司。這也是目前只有德國的激光公司能夠生產(chǎn)薄片式固體激光器的原因。德國ELS公司是最早的也是世界上唯一生產(chǎn)高功率薄片式單頻連續(xù)固體激光器的廠商，所生產(chǎn)的VersaDisk激光器獲得Photonics Excellence Award 2003大獎，是當年世界上唯一獲此殊榮的固體激光器。因此VersaDisk正在被越來越多的科研用戶所接受，而這一切都得益于其獨特的設計理念和與眾不同的性能。而且VersaDisk515進一步拓展了高功率固體綠光激光器的應用領域，打破了該市場過去一直被美國的激光公司所占領的局面。
1． 原理
薄片式激光器的稱謂來源是因為它的晶體形狀為薄片式，厚度通常為200微米，直徑為10mm。由半導體激光器從晶體的前表面進行泵浦，近似于常用的端泵技術(shù)。薄片晶體整個粘接在熱沉上，所以晶體的冷卻效率非常高（圖1）。由于晶體的厚度很薄，所以每次半導體激光器的泵浦光穿過激光晶體時只有一部分泵浦光被其吸收，為了提高它的泵浦效率，在其前部放置一塊拋物面鏡，使未被吸收的泵浦光多次通過晶體來提高泵浦效率，一般的次數(shù)為32次，從而產(chǎn)生很強的激光輻射。
圖1 薄片式激光器原理圖 圖2 薄片式Y(jié)b:YAG激光器與傳統(tǒng)YAG激光器的對比
2．與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG固體激光器的對比：
Yb:YAG作為準三能級結(jié)構(gòu)的晶體，比傳統(tǒng)的Nd:YAG晶體更適合用半導體激光器泵浦，與Nd:YAG晶體相比它的優(yōu)點如下：
· 具有較低的量子損耗，熱承載?。?1％量子效率），熱透鏡效應非常小，幾乎可以忽略不計。
· 具有很寬的吸收帶寬（18nm），因此對泵浦LD的控溫精度要求低。
· 上能級熒光壽命長（1ms），有利于儲能。
· 發(fā)射線寬較寬，可以實現(xiàn)調(diào)諧輸出。
· 激光發(fā)射截面較小（有利于高能量存儲）。
Yb:YAG晶體的熱傳導和溫度梯度主要沿著軸向，從而使晶體的溫度分布非常均勻，波前形變非常小。這種先進的諧振腔設計使得熱量從Yb:YAG晶體傳導到熱沉的效率非常高，熱傳導的方向與激光光束傳播的方向平行（即軸向），因此徑向溫度梯度非常小，從而避免了傳統(tǒng)棒狀晶體激光器的固有限制，如高功率下的熱透鏡效應、激光晶體的變形、雙折射效應等。因此，薄片式固體激光器可以很容易獲得非常高的輸出功率（最大100W）而不影響它卓越的光學性能，一般都具有近高斯分布的高功率激光束（M2<1.1）。這是它與傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG固體激光器的最大區(qū)別，因為傳統(tǒng)棒狀Nd:YAG固體激光器或者具有高功率，或者具有好的光束質(zhì)量，但不能同時擁有。
3．功能強大的光學平臺：
德國ELS公司的VersaDisk不僅僅是一臺激光器，它實際上是一個功能強大的光學平臺。模塊化的設計為您帶來靈活的配置和強大的擴展性（圖3），用戶可以根據(jù)自己的研究工作選擇最合適的配置，或者選擇一個通用的配置以滿足大多數(shù)常見的應用。VersaDisk腔型結(jié)構(gòu)的自由度非常高，用戶可以只購買一臺激光器而得到紅外（基頻）、綠光（倍頻）或雙波長（紅外和綠光）同時輸出，也可以在腔內(nèi)插入標準具、布儒斯特窗片、雙折射濾光片來實現(xiàn)單頻、線偏振、波長可調(diào)諧等多項傳統(tǒng)棒狀固體激光器實現(xiàn)不了的功能。
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圖3 VersaDisk-515/1030激光器外型圖
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| 圖4 VersaDisk-1030的腔型設計 | 圖5 VersaDisk-515的環(huán)行腔設計 |
VersaDisk-1030——高功率單頻紅外激光器（圖4）：
VersaDisk-1030可以在1030nm處輸出最大100W功率（5/10/20/30/50//75/100W），并保證輸出模式為TEM00模。在腔內(nèi)插入標準具就可以選擇一個縱模，從而實現(xiàn)單頻輸出（線寬<5MHz，最大輸出功率可達50W）。窄線寬和高功率可以使VersaDisk-1030很方便地實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換（倍頻或泵浦OPO）。
VersaDisk-515——高功率單頻綠光激光器（圖5）:
VersaDisk-515采用環(huán)行腔設計，并選擇非臨界相位匹配的LBO晶體作為倍頻晶體，可以在515nm處實現(xiàn)最大15W的單頻輸出功率（2.5W/5W/10W/15W，線寬<5MHz）。薄片技術(shù)與環(huán)行腔設計的結(jié)合給VersaDisk-515帶來了優(yōu)秀的性能，如指向穩(wěn)定性好、單頻輸出等。
·可實現(xiàn)雙波長同時輸出（圖5）：
把VersaDisk-515環(huán)行腔中的一塊折疊腔鏡換成可透過1030nm的腔鏡，就可同時獲得515nm和1030nm的輸出；通過改變該鏡片對1030nm的透過率，還可以調(diào)節(jié)515nm和1030nm的輸出功率。
·波長可調(diào)（圖6）:#p#分頁標題#e#
因為Yb:YAG晶體可以在1000到1060nm范圍內(nèi)產(chǎn)生激光輻射，因此在VersaDisk-1030的腔內(nèi)放置一塊雙折射濾光片它就可以在這個波長范圍內(nèi)調(diào)諧（對于VersaDisk-515來說，調(diào)諧范圍從514nm到517nm）。這個選項可以和單頻輸出共同選擇。
圖6 Yb:YAG激光器波長調(diào)諧圖
·可替代氬離子激光器：
氬離子激光器由于非常耗水耗電正在逐漸被固體激光器代替，但傳統(tǒng)的棒狀固體激光器的波長（532nm）又不太合適，這時VersaDisk-515（515nm）就是最合適的選擇，因為它可以非常精確地把輸出波長鎖定在514.5nm，從而替代氬離子激光器，而且各項參數(shù)都要優(yōu)于氬離子激光器。
·調(diào)Q型：雖然VersaDisk非常適合于連續(xù)工作，但在一些應用諸如泵浦中紅外（2-5μm）調(diào)Q型OPO時，調(diào)Q型VersaDisk就顯得非常合適。通過在VersaDisk-1030諧振腔中加入調(diào)Q元件就可以實現(xiàn)重復頻率1k-15kHz，脈沖寬度500ns的調(diào)Q型VersaDisk-1030Q。
·鎖模型：應用可飽和吸收鏡（SESAM）技術(shù)，VersaDisk-1030還可以改制成鎖模型固體激光器，波長1030nm，重復頻率100MHz，脈寬500fs，峰值功率可達25MW。該鎖模激光器還有二倍頻（綠光）和三倍頻（UV）選項。
總之，VersaDisk除了具有高功率和優(yōu)秀的光束模式外，而且還是一個功能強大的光學平臺，可以滿足大多數(shù)科研領域的應用。
4．應用
（1）VersaDisk-1030的應用
· 中紅外高分辨率光譜（與2-5um OPO一起使用）：
圖7 SpectroStar系統(tǒng)配置圖
VersaDisk-1030可以用來泵浦高功率單頻中紅外（2-5μm）OPO（ SpectroStar），從而填補了世界上在該譜段沒有高功率單頻光源的歷史，為從事高分辨率中紅外光譜的科研人員提供了有力的科研工具。由于VersaDisk-1030的波長可以在1000nm-1060nm之間調(diào)諧，而且可以同時保證高輸出功率和窄線寬，因此可以通過只調(diào)節(jié)VersaDisk-1030的波長來調(diào)節(jié)OPO的波長（2-5μm），OPO的最大輸出功率達3W（3W@2954nm，用VersaDisk1030-20 SF泵浦）。
· 玻色-愛因斯坦凝聚和光鑷：
在玻色-愛因斯坦凝聚實驗中，VersaDisk-1030可以用來建立激光俘獲；而在光鑷應用中，VersaDisk-1030可以用來輸運原子和分子。
· 材料微加工：
由于VersaDisk-1030同時擁有高功率（最大達100W）和優(yōu)秀的光束質(zhì)量（TEM00，線偏振），使得它在印刷工業(yè)中可以對清篩輥進行精確的雕刻，而且打出的孔比其它激光器要深而且干凈。
（2）VersaDisk-515的應用
· 高功率Ti:Sa激光器和染料激光器的泵浦源：
由于Ti:Sa晶體在515nm處的吸收系數(shù)要高于其在532nm處的吸收系數(shù)（圖8，吸收效率要高18%），所以VersaDisk-515是泵浦Ti:Sa激光器的理想泵浦源。
此外，由于515nm的波長短于532nm，所以VersaDisk-515可以更高效地用來泵浦染料激光器。
圖8 鈦寶石的吸收和發(fā)射譜
· 全息、干涉、光存儲等其它需要激光器單頻特性的應用領域:
由于VersaDisk-515的波長可以調(diào)諧并精確地固定在514.5nm，因此可以完全代替氬離子激光器用于全息、干涉、光存儲和其他需要單頻輸出的應用領域，并可以解決氬離子激光器耗水耗電的弊端。
· 絕對頻率穩(wěn)定:
在絕對頻率穩(wěn)定應用中，VersaDisk-515可以與外部標準頻率源（碘吸收池）鎖定在一起，使其線寬小于1MHz，而絕對頻率由碘分子的特征譜線決定（圖9）。
圖9 絕對頻率穩(wěn)定實驗布局圖（還有其它3種實驗布局可供選擇）
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