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    一直以来，Nd:YAG（钕：钇铝石榴石）等掺钕晶体都被用作激光增益介质。经由过程光泵浦，它们能孕育发生靠近 1 m 的输出波长，而且钕的引发态寿命答应实现持续波（CW）及脉冲（Q 开关）运转。

利用椭圆反射镜将强光闪光灯及弧光灯的输出聚焦到圆柱形激光晶体棒中，形成增益模块。然后将该增益模块安装到激光腔中，激光腔的长度凡是为几英寸，详细由激光腔中经常使用的全反射镜及半反射镜或者输出耦合镜之间的间隔决议。

这类灯泵要领存于几个局限性。起首，泵浦效率低下，部门缘故原由是灯于将电能转化为泵浦光方面效率低下，而且会孕育发生年夜量不想要的热量。但更主要的是，这些灯于可见光及红外波段会孕育发生宽带发射。是以，年夜部门泵浦光不会被激光增益晶体接收，终极只会于泵浦模块中孕育发生更多的热量，而这些热量必需经由过程激秃顶的水冷来带走。并且，这些灯还有需要几千瓦的电源供电。

对于在很多工业运用来讲，灯泵最年夜的错误谬误是 CW 弧光灯的寿命短，必需每一 200-600 小时改换一次。当改换灯胆后，凡是需要对于腔内光学器元件从头瞄准，以连结激光器的优良输出模式。现实上，这类频仍的一样平常维护偏偏袒护了灯泵的另外一个局限性 不管是否改换灯胆，灯泵机制的光学瞄准往往会跟着时间的推移而漂移，是以需要按期从头瞄准。半导体泵浦消弭了这些限定及错误谬误。

半导体泵浦的道理很简朴。掺钕激光晶体于 808 nm 及 880 nm 处具备强烈的锋利接收峰，而 InGaAs 半导体激光二极管很轻易孕育发生这些波长（见图 1）。激光二极管将其年夜部门电输入转换为激光，然后被掺钕晶体有用接收。半导体泵浦激光器的插座效率比灯泵浦激光器的超出跨越很多倍。

图1：闪光灯于宽光谱规模内发光（b），但 Nd:YAG 等激光晶体仅接收窄波段的光（a）。半导体激光器仅发射于这些波段（b）中的一个波长，半导体激光器泵浦相对于高效。

除了了电效率以外，半导体泵浦要领还有有其他几个重要长处。按照输出功率，这些激光器孕育发生的热量相对于较少，是以可能不会像灯泵激光器那样需要年夜量冷却水。此外，二极管由低压电源供电，该电源与单相（110/220V）路线兼容，或者与一些激光机床中的较低电压的装备相兼容。

此外，因为二极管的紧凑尺寸，是以也能够年夜年夜缩小激秃顶的尺寸。

对于在原始装备制造商（OEM）及工业终端用户而言，二极管的长命命是另外一项上风，这项上风能最年夜限度地削减维护时的停机时间。事实上，跟着半导体泵浦固态（DPSS）激光器中利用的二极管的靠得住性不停提高，DPSS 激光器可以实现长达多年的不间断运转。

激光器的布局

将半导体激光泵浦光引入激光晶体有几种基本要领，此中经常使用的两种要领是端面泵浦及侧面泵浦。一般来讲，端泵激光器能提供高质量输出光束，而且于高达数十瓦的功率下，具有进步前辈的机能及不变性；而侧泵激光器则捐躯了光束质量，以提供高达几千瓦的原始功率。

于侧面泵浦中，半导体激光巴条或者叠阵缭绕激光晶体呈圆柱形摆列（见图 2）。每一个巴条的输出光，颠末一个柱面透镜及/或者透镜阵列来聚焦。是以，年夜量晶体被泵浦光照射，实现高功率及多模输出（M2 100）。这些被泵浦的晶体，每个都作为自力模块安装。高功率激光器包罗多个串联的模块，每一个模块用在放年夜前一个模块的输出。

图 2：侧面泵浦使年夜量泵浦巴条（或者叠阵）缭绕于单个激光棒周围。

凡是，侧泵激光器是从初期的灯泵设计中衍生而来的。只管云云，它们比传统的灯泵激光用具有显著的靠得住性上风，而且于焊接及金属切割等重型质料加工运用中脱颖而出。

侧泵的方针是将尽可能多的功率有用地耦合到输出的激光中。比拟之下，端泵将尽可能多的二极管输出耦合到晶体的 TEM00 模式体积中。这不仅孕育发生了较低 M2 值的输出，并且实现了最有用的谐波转换，提供了绿光及紫外波长。

端面泵浦的一种更传统的要领是光纤耦合，如 FCbar（光纤耦合激光二极管巴条）中利用的光纤耦合技能。该技能最初由 Spectra-Physics 公司开发，此中每一个半导体激光器端面都耦合到一个零丁的光纤中。然后将光纤环形绑缚，从而将高度不合错误称的二极管巴条输出，转换为合适激光晶体高效端面泵浦的高亮度光斑（见图 3）。此外，因为FCbar 模块安装于电源中，光纤毗连到激秃顶，是以可以于现场简朴改换，而无需任何光学从头瞄准。

图3：端面泵浦答应半导体激光器的模体积与激光腔的 TEM00 模体积相匹配。

这类架构可以从紧凑、结实、免维护的封装中，孕育发生高质量（M2 1.2）光束，并具备精彩的维护寿命。一样主要的是，矫捷的二极管泵浦技能提供了广泛的输出功率，可以选择 CW、Q 开关及锁模输出。

跟着激光二极管技能的立异及单管输出功率的增长，更进步前辈的端泵设计利用了单管激光器，其输出直接经由过程光纤耦合到激秃顶内，从而使激秃顶的集成及改换越发轻易。如今，二极管的预期寿命跨越 10 年，尤其是于低在其最年夜额定功率（称为降额）运转时。事实上，这类设计技能使患上这些模块于多年的持续运转中，险些不需要对于泵浦激光器举行维护。此外，将二极管集成于激秃顶中的一个附带利益是，消弭了外部光纤耦合可能孕育发生的潜于问题，使激秃顶的改换简朴快捷。

因为靠得住性的提高及成本的降低，端泵固态激光器满意了许多高精度工业运用场景的需求，如 PCB、Flex PCB 的钻孔及切割、电阻器微调、增材制造、立体光刻（快速成型）、ITO 刻图、检测、制图、周详打标，以和从玻璃及硅到陶瓷及金属等各类质料的微加工。此外，它们的低拥有成本及操作简朴性，也使患上那些利用初期激光器成本较高或者不切现实的运用患上以实现。

自从引入半导体泵浦以来，人们已经经研究了很多激光晶体的几何外形，并取患了差别水平的贸易乐成。最主要的几种晶体外形是圆柱形棒、板条及碟片（见图 4）。按照功率/模式要求，板条及棒状激光晶体可以设计为端泵或者侧泵，而碟片晶体只能举行端面泵浦。凡是，棒状晶体于低/中功率、高模式质量运用中占主导职位地方，而板条及碟片晶体凡是用在高功率激光器。

图4：于商用半导体泵浦激光器中，激光晶体凡是为碟片、棒状或者板条。

YAG及YVO4

灯泵激光器中利用的最多见的掺钕质料是 Nd:YAG，它提供了相对于易在生长、年夜且完好陷的晶体，而且于光学及机械机能上都很结实。另外一种质料 Nd:YVO4（钕：钒酸钇），比 Nd:YAG 具备更高的增益。然而，持久以来，人们并无将 Nd:YVO4 作为一种贸易质料，由于这类晶体很难生长（即没法制造出用在灯泵体系的充足长度）。跟着端泵布局的呈现，可以或许利用更小的激光晶体才使患上 Nd:YVO4 具备了更多的吸引力。此外，Nd:YVO4 能实现更短的脉冲长度，这对于在许多运用都是有益的。

Nd:YVO4 的增益约莫是 Nd:YAG 的5.5倍。这象征着：Nd:YVO4 答应很是短的脉冲（ 10ns）调 Q 输出，而且于高反复频率下具备优秀的脉冲-脉冲不变性（见表 1）。与 Nd:YAG 差别，Nd:YVO4 具备很强的双折射性及天然偏振性。是以，Nd:YVO4 激光器的输出天然偏振，无需腔内偏振器。

对于在端泵激光器，Nd:YVO4 凡是是高频脉冲（ 10kHz）及 CW 运转的首选质料。事实上，这类高增益质料的成熟，对于在将这些激光器的功率提高到市场需求程度至关主要。另外一方面，Nd:YAG 仍旧经常使用在很多以较低反复频率运转的激光器中。

新型 Nd:YVO4 及 Nd:YAG 激光器的增益效率提高及紧凑设计，也显著降低了成本。

彻底密封的激光器

于很多运用中，凡是首选利用棒状晶体的端泵激光器，这重要是由于它们险些是零维护事情。降额（远低在其最年夜额定功率）运转的泵浦二极管，可以将激光器的寿命延伸到远跨越 10 万小时。

这答应采用一种新的将整个谐振腔密封起来的设计要领，这类设计于靠得住性、不变性、光束质量、紧凑封装及操作简朴性方面，设定了新尺度。对于在工业运用，这些上风将转化为低拥有成本及高加工产量。

详细来讲，经由过程利用密封腔，彻底消弭了瞄准漂移及光学外貌污染的传统缺陷。有几种乐成的要领可以做到这一点。MKS 公司采用的一体式要领是将所有光学元件，沿着关闭箱内的一个工字梁布局的横梁安稳地安装（见图 5）。这类工字梁布局提供了优秀的旋转刚度及不变性。并且，纵然腔温发生变化，工字梁布局也会匀称膨胀，确保光学元件沿着统一个中央轴完善地瞄准。

图 5：实现激光腔持久不变性的一种要领是，将所有光学元件安装于一个刚性工字梁上。

此外，光学支架全数为金属材质，以便最低限度地利用环氧树脂或者其他开释气体的组件。因为不需要调治或者清洁腔内光学元件，是以激光器于干净室中组装及测试，然后于工场密封，消弭了光学外貌污染这一妨碍机制。一样主要的是，利用小型、不成调治的支架及光纤耦合二极管，可以实现极为紧凑的激光器。

绿光及紫外输出

近红外（1.06 m）输出可用在电阻微和谐金属外貌打标等运用，但很多激光运用需要可见光或者紫外波长。幸运的是，利用 LBO（三硼酸锂）及 BBO（硼酸钡）等非线性晶体，可以将端泵激光器孕育发生的TEM00 输出光，有用地二倍频到 532 nm、三倍频到 355 nm 甚至四倍频到 266 nm。

于半导体泵浦的 CW 激光器确当前功率程度下，必需将非线性晶体放置于激光腔内，以得到有效的二次谐波功率程度。Spectra-Physics 在1996 年推出了第一台多波长持续绿光激光器 Millennia。如今，这些激光器已经经比力成熟，其输出功率已经经跨越 25 W。

锁模 CW 激光器提供了得到更高功率的绿光及紫外输出的另外一种路子。SBR（可饱及布拉格反射镜）技能实现了简朴的锁模，其充足安稳靠得住，可以或许满意要求苛刻的工业运用需求。锁模激光器的岑岭值功率，答应很是有用的腔外二倍频及三倍频，于 355 nm 能提供数瓦的功率。此外，高反复频率（80 MHz）象征着这些准 CW 激光器，已经经于很多 CW 紫外运用中代替了粗笨的离子激光器。

调 Q 脉冲激光器的峰值功率足以实现腔外二倍频及三倍频。密封的一体式激光器的不变瞄准特征，使患上可以经由过程简朴的 螺栓毗连 ，为其添加二倍频及三倍频模块，以和更具成本效益的集成式谐波转换要领。

图 6：具备倾覆性性价比的 Talon 激光器。

最新的技能进展

对于在拓展调 Q 半导体泵浦激光器的运用，有三个激光成长范畴尤其值患上留意，包括提高脉冲反复频率、加强可用的绿光（532 nm）及紫外（355 nm）输出功率，以和于时域中把持激光输出脉冲。提高脉冲反复频率对于工业运用至关主要，由于它可以直接带来加工产量的增长及/或者质量的提高。更高的绿光及紫外输出功率，可以或许以更高的精度加工更多质料，从而满意年夜范围出产的微电子产物等对于更高密度组件的需求。于时域中调治输出脉冲，象征着可以或许更多地节制光与质料彼此作用的效率，以提高加工速率及质量。

图 7：体积很是紧凑的 Explorer XP 激光器。

脉冲反复频率凡是是划线及打标等高吞吐量运用中的工艺限定因素。这里，其实不能充实使用偏转光束的激光振镜的高扫描速率；必需降低扫描速率，以免因为单个激光脉冲而沿切割边沿孕育发生条纹或者 虚线 切割或者凹槽。激光器制造商经由过程开发具备更高反复频率的调 Q 激光器，来应答这一限定。

Nd:YVO4 凡是是更高反复频率激光器的首选质料，可是典型的端泵设计于最年夜反复频率仅为 40~50 kHz 时提供峰值机能。传统上，将这些激光器推向更高的反复频率，会致使更低的单脉冲能量及更低的总功率，而且脉冲-脉冲间的噪声会显著增长。然而，近来的设计使用进步前辈的泵浦方案及用在绿光及紫外输出的谐波转换，孕育发生了反复频率规模 700 kHz 的 Nd:YVO4 激光器，其具备低脉冲-脉冲间噪声及仍旧较短的脉冲宽度，这对于在许多运用都很是有益。

如前所述，半导体泵浦激光器的一个长处是尺寸小巧。图 7 显示了一个很是紧凑的激光器，其红外、绿光或者紫外输出的光束质量险些靠近衍射极限（TEM00），可以实现慎密聚焦及高空间分辩率。高靠得住性、高反复频率及高脉冲-脉冲不变性，使这类激光器合用在很多要求苛刻的运用，如微加工、打标及 3D 立体光刻。经由过程将激光器及节制器集成到单个一体式封装中，可以进一步减小整个激光体系的占地面积及体积。

冲破性技能

半导体泵浦固体激光器范畴近来取患上的一项最主要的冲破是混淆光纤/DPSS 激光器，其将光纤激光技能及 DPSS 功率放年夜与高效谐波孕育发生相联合。最新版本的混淆光纤激光器（见图 8），此刻可以提供跨越100 W 的紫外输出功率。这类激光器可以或许以超高的出产速率对于广泛的质料举行周详加工。

图 8：混淆光纤激光器。

混淆光纤/DPSS 激光器的脉冲串加工模式，能实现更好的加工质量或者更快的加工速率，或者二者兼而有之，详细取决在被加工的质料。也有输出绿光的混淆光纤/DPSS 激光器，其更合适某些特定质料的加工。混淆架构能以险些靠近衍射极限的光束质量及很是低的光学噪声，实现精彩的加工机能。

高功率程度，与 节制及优化脉冲宽度、组合 的能力及脉冲串事情模式相联合，可以或许以很是高的速率对于广泛的质料举行高精度加工，这些质料包括硅、PCB 及陶瓷。表 2 总结了加工每一种质料时，有益在加工质量及速率的一些特征。最具挑战性的运用之一是切割智能手机及平板电脑/PC 中利用的盖板玻璃，这是一种化学强化玻璃，切割速率可以高在 1.5 m/s。

成果注解，工艺配方开发需要极年夜的矫捷性及邃密化，以顺应工艺及用户的方针。经由过程适量的参数优化，可以实现高质量及高产量，提高现今激光微加工工艺的能力，以应答将来消费电子产物的制造挑战。

图 9：混淆光纤/DPSS 皮秒工业紫外激光器。

因为其多功效性及极低的拥有成本，DPSS 混淆激光器设计架构已经经拓展到了工业超快激光器。图 9 显示了一种怪异的混淆光纤/DPSS 工业皮秒激光器。这些皮秒混淆光纤/DPSS 激光器联合了高功率输出的机能、低拥有成本及多功效性，可以进一步优化脉冲串模式下的皮秒加工，而且可以配置为 IR、绿光或者UV输出波长。

结论

半导体泵浦完全转变了固态激光器的设计，并使立异设计可以或许满意现今制造工艺不停变化的需求。利用该技能的最新成长，提供了怪异的上风组合，包括低功耗、低发烧、紧凑的封装、精彩的模式质量、高脉冲-脉冲不变性、使人印象深刻的高靠得住性，以和于宽事情规模内各类波长下的极高功率。经由过程定制这些激光器的机能以满意一些新运用的特定需求，激光器制造商为这些激光器于各类现有及新兴运用、以和怪异的新质料加工范畴确保了一个康健市场；这些激光器的波长笼罩 IR 到 UV 波段，脉冲宽度涵盖了纳秒到飞秒规模。

作者 Arnd Krueger 及 Scott White, MKS/Spectra-Physics

转自：MKS光电解决方案

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