新一代高功率固体绿光/红外激光器及其科研应用
——薄片式Yb:YAG激光器
Guenter Hummelt
(德国Elektronik Laser System GmbH公司)

http://www.bjlaser.com/

摘要：介绍了薄片式固体激光器的原理，Yb:YAG晶体的特性及其与传统棒状Nd:YAG晶体固体激光器的对比，VersaDisk固体激光器作为一个光学平台所具有的强大功能及给用户所带来的方便灵活和扩展空间，最后介绍了该激光器在科研领域的应用。

　　薄片式半导体泵浦固体激光器被认为是近期来激光技术最著名的进展之一。它基于一种革命性的固体激光器设计理念，最近几年中已经成为科研及工业加工的得力助手，最近几年更是进入了批量化生产阶段。薄片式固体激光器可以输出很高的功率（连续或脉冲），同时拥有非常好的光束质量。http://www.bjlaser.com/
　　Yb:YAG激光晶体作为特殊的激光工作物质，它不仅具有YAG激光基质材料本身优良的物理性质和稳定的化学性能，而且具有很好的激光工作性能。激光波长为1030nm，峰值吸收波长在940nm附近，吸收带宽很宽（18nm@940nm），荧光寿命长(0.95ms)，量子效率高（91%），在相同的半导体泵浦功率下，Yb:YAG泵浦生热为Nd:YAG的1／3。能够很容易的被可靠的InGaAs半导体激光器所泵浦，是一种新型的、适合LD泵浦的高平均功率和高光束质量的发射1um左右波长的激光材料。另外，由于其二倍频是515nm，接近Ar离子激光器的波长514.5nm，从而使其有可能替换用户现存的大量氩离子激光器，因此在激光领域内受到越来越多的关注。
　　由德国斯图加特大学的Adolf Giesen博士及其研究小组发明的薄片式固体激光器技术，其性能远远超过采用传统棒状晶体设计的Nd:YAG固体激光器。由于该项专利是由德国政府资助的，所以只能许可给德国的激光公司。这也是目前只有德国的激光公司能够生产薄片式固体激光器的原因。德国ELS公司是最早的也是世界上唯一生产高功率薄片式单频连续固体激光器的厂商，所生产的VersaDisk激光器获得Photonics Excellence Award 2003大奖，是当年世界上唯一获此殊荣的固体激光器。因此VersaDisk正在被越来越多的科研用户所接受，而这一切都得益于其独特的设计理念和与众不同的性能。而且VersaDisk515进一步拓展了高功率固体绿光激光器的应用领域，打破了该市场过去一直被美国的激光公司所占领的局面。

1． 原理
　　薄片式激光器的称谓来源是因为它的晶体形状为薄片式，厚度通常为200微米，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（图1）。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。
　　　　　　　　　

　　　　图1 薄片式激光器原理图 　　　　　　　图2 薄片式Yb:YAG激光器与传统YAG激光器的对比

2．与传统棒状Nd:YAG固体激光器的对比：
　　Yb:YAG作为准三能级结构的晶体，比传统的Nd:YAG晶体更适合用半导体激光器泵浦，与Nd:YAG晶体相比它的优点如下：
· 具有较低的量子损耗，热承载小（91％量子效率），热透镜效应非常小，几乎可以忽略不计。
· 具有很宽的吸收带宽（18nm），因此对泵浦LD的控温精度要求低。
· 上能级荧光寿命长（1ms），有利于储能。
· 发射线宽较宽，可以实现调谐输出。
· 激光发射截面较小（有利于高能量存储）。
　　Yb:YAG晶体的热传导和温度梯度主要沿着轴向，从而使晶体的温度分布非常均匀，波前形变非常小。这种先进的谐振腔设计使得热量从Yb:YAG晶体传导到热沉的效率非常高，热传导的方向与激光光束传播的方向平行（即轴向），因此径向温度梯度非常小，从而避免了传统棒状晶体激光器的固有限制，如高功率下的热透镜效应、激光晶体的变形、双折射效应等。因此，薄片式固体激光器可以很容易获得非常高的输出功率（最大100W）而不影响它卓越的光学性能，一般都具有近高斯分布的高功率激光束（M2<1.1）。这是它与传统棒状Nd:YAG固体激光器的最大区别，因为传统棒状Nd:YAG固体激光器或者具有高功率，或者具有好的光束质量，但不能同时拥有。

3．功能强大的光学平台：
　　德国ELS公司的VersaDisk不仅仅是一台激光器，它实际上是一个功能强大的光学平台。模块化的设计为您带来灵活的配置和强大的扩展性（图3），用户可以根据自己的研究工作选择最合适的配置，或者选择一个通用的配置以满足大多数常见的应用。VersaDisk腔型结构的自由度非常高，用户可以只购买一台激光器而得到红外（基频）、绿光（倍频）或双波长（红外和绿光）同时输出，也可以在腔内插入标准具、布儒斯特窗片、双折射滤光片来实现单频、线偏振、波长可调谐等多项传统棒状固体激光器实现不了的功能。

	图3 VersaDisk-515/1030激光器外型图
图4 VersaDisk-1030的腔型设计	图5 VersaDisk-515的环行腔设计

VersaDisk-1030——高功率单频红外激光器（图4）：
VersaDisk-1030可以在1030nm处输出最大100W功率（5/10/20/30/50//75/100W），并保证输出模式为TEM00模。在腔内插入标准具就可以选择一个纵模，从而实现单频输出（线宽<5MHz，最大输出功率可达50W）。窄线宽和高功率可以使VersaDisk-1030很方便地实现频率转换（倍频或泵浦OPO）。
VersaDisk-515——高功率单频绿光激光器（图5）:
VersaDisk-515采用环行腔设计，并选择非临界相位匹配的LBO晶体作为倍频晶体，可以在515nm处实现最大15W的单频输出功率（2.5W/5W/10W/15W，线宽<5MHz）。薄片技术与环行腔设计的结合给VersaDisk-515带来了优秀的性能，如指向稳定性好、单频输出等。
·可实现双波长同时输出（图5）：
把VersaDisk-515环行腔中的一块折叠腔镜换成可透过1030nm的腔镜，就可同时获得515nm和1030nm的输出；通过改变该镜片对1030nm的透过率，还可以调节515nm和1030nm的输出功率。
·波长可调（图6）:
因为Yb:YAG晶体可以在1000到1060nm范围内产生激光辐射，因此在VersaDisk-1030的腔内放置一块双折射滤光片它就可以在这个波长范围内调谐（对于VersaDisk-515来说，调谐范围从514nm到517nm）。这个选项可以和单频输出共同选择。
　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6 Yb:YAG激光器波长调谐图

·可替代氩离子激光器：
氩离子激光器由于非常耗水耗电正在逐渐被固体激光器代替，但传统的棒状固体激光器的波长（532nm）又不太合适，这时VersaDisk-515（515nm）就是最合适的选择，因为它可以非常精确地把输出波长锁定在514.5nm，从而替代氩离子激光器，而且各项参数都要优于氩离子激光器。
·调Q型：虽然VersaDisk非常适合于连续工作，但在一些应用诸如泵浦中红外（2-5μm）调Q型OPO时，调Q型VersaDisk就显得非常合适。通过在VersaDisk-1030谐振腔中加入调Q元件就可以实现重复频率1k-15kHz，脉冲宽度500ns的调Q型VersaDisk-1030Q。
·锁模型：应用可饱和吸收镜（SESAM）技术，VersaDisk-1030还可以改制成锁模型固体激光器，波长1030nm，重复频率100MHz，脉宽500fs，峰值功率可达25MW。该锁模激光器还有二倍频（绿光）和三倍频（UV）选项。
　　总之，VersaDisk除了具有高功率和优秀的光束模式外，而且还是一个功能强大的光学平台，可以满足大多数科研领域的应用。

4．应用
（1）VersaDisk-1030的应用
· 中红外高分辨率光谱（与2-5um OPO一起使用）：
　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图7 SpectroStar系统配置图
　　VersaDisk-1030可以用来泵浦高功率单频中红外（2-5μm）OPO（ SpectroStar），从而填补了世界上在该谱段没有高功率单频光源的历史，为从事高分辨率中红外光谱的科研人员提供了有力的科研工具。由于VersaDisk-1030的波长可以在1000nm-1060nm之间调谐，而且可以同时保证高输出功率和窄线宽，因此可以通过只调节VersaDisk-1030的波长来调节OPO的波长（2-5μm），OPO的最大输出功率达3W（3W@2954nm，用VersaDisk1030-20 SF泵浦）。
· 玻色-爱因斯坦凝聚和光镊：
　　在玻色-爱因斯坦凝聚实验中，VersaDisk-1030可以用来建立激光俘获；而在光镊应用中，VersaDisk-1030可以用来输运原子和分子。
· 材料微加工：
　　由于VersaDisk-1030同时拥有高功率（最大达100W）和优秀的光束质量（TEM00，线偏振），使得它在印刷工业中可以对清筛辊进行精确的雕刻，而且打出的孔比其它激光器要深而且干净。

（2）VersaDisk-515的应用
· 高功率Ti:Sa激光器和染料激光器的泵浦源：
　　由于Ti:Sa晶体在515nm处的吸收系数要高于其在532nm处的吸收系数（图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的波长短于532nm，所以VersaDisk-515可以更高效地用来泵浦染料激光器。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　图8 钛宝石的吸收和发射谱

· 全息、干涉、光存储等其它需要激光器单频特性的应用领域:
　　由于VersaDisk-515的波长可以调谐并精确地固定在514.5nm，因此可以完全代替氩离子激光器用于全息、干涉、光存储和其他需要单频输出的应用领域，并可以解决氩离子激光器耗水耗电的弊端。
· 绝对频率稳定:
　　在绝对频率稳定应用中，VersaDisk-515可以与外部标准频率源（碘吸收池）锁定在一起，使其线宽小于1MHz，而绝对频率由碘分子的特征谱线决定（图9）。

　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　图9 绝对频率稳定实验布局图（还有其它3种实验布局可供选择）