文/Florian Lenhardt，Joerg Neukum

掺钕（Nd）晶体，例如Nd：YAG和Nd：YVO₄，用于最早获得商业成功的固态激光器。在过去很长一段时间内，这些激光器中的晶体增益介质是由闪光灯泵浦的。因此，过去这些激光器的效率非常低，其中部分原因是闪光灯产生宽广的连续波长，而Nd离子的吸收光谱则由尖锐的谱带和谱线组成（见图1）。结果，大多数泵浦光的能量都以热量的形式被浪费掉了，因此需要对晶体进行水冷。之后，寿命较长且功率可扩展的激光二极管的成熟，推动了二极管泵浦固态（DPSS）激光器的革命性发展。在DPSS激光器中，发射808nm波长的激光二极管作为泵浦源，以匹配了Nd的强吸收峰。

图1：Nd：YVO₄的近红外吸收光谱。多年来，激光器设计人员专门致力于泵浦808nm的强吸收峰。通常沿晶体的b轴泵浦，放大的单独图表示沿a轴和c轴的偏振光。

DPSS激光器（通常是调Q输出）的可靠性和长寿命，已经支持了从制造医疗设备到集成电路封装的不断增长的工业应用。这些应用已经越来越依赖于近红外基频波长的二倍频和三倍频，以此来提供绿光和紫外输出，目的是优化微加工工艺。大多数DPSS激光器中都采用端泵方式。通过使用光纤耦合激光二极管，可以将激光二极管放置在远离激光腔的地方，从而简化了维护工作，并降低了激光头中的热管理。

DPSS的热挑战

然而，激光晶体本身产生的热量，最终限制了端泵DPSS激光器在一些应用领域的发展，这些应用主要是需要更高功率和TEM₀₀光束的应用（良好的光束质量对于实现有效的二次谐波产生/SHG和三次谐波产生/THG至关重要）。例如，与激光二极管相比，以808nm泵浦的DPSS激光器效率低得令人惊讶。造成这种情况的一个重要原因是量子数亏损很大，即808nm泵浦光子与1064nm Nd输出之间的能量差。从技术上讲，808nm泵浦使Nd以四能级激光器运作，本身效率低。此外，增益晶体中产生的这种过多热量，限制了能够通过流动水传导冷却晶体表面的晶体尺寸。此外，热累积会导致晶体中产生热透镜效应；而且，随着激光功率的变化而改变其聚焦特性（见图2）。这损害了输出模式的质量，导致较低的SHG/THG效率，并限制了这些激光器在某些切割、钻孔和划线应用中，可以实现的精度和边缘质量。

图2：端面泵浦可以提供更好的模式质量，但是由吸收光导致的热透镜效应，可能会成为获得更好光束质量的障碍。

产生的热量也位于泵浦输入面附近，由于泵浦光被强烈吸收，因此这也使得泵浦光渗透进入晶体的深度有限。通过从两端泵浦晶体的方式，能够在一定程度上减轻这种影响，不过这样做的代价是增加了系统的复杂性。尽管如此，典型的DPSS激光器使用的晶体长度只有8mm或更短，并且输出功率受到限制，只有在某种最佳功率水平下，其光束质量才可以接受。在越来越多的应用中，这种性能会对加工吞吐量和材料厚度产生负面影响。

更低的量子亏损和三能级效率

市场对更高功率和高光束质量的需求，已经迫使激光器设计者重新考虑DPSS激光器的设计问题。目前市场上已经出现了这样一种解决方案：即在880nm附近这个相对较弱的吸收峰处，泵浦Nd（见图1）。具体来说，现在市场上能够提供的激光二极管泵浦模块，可以在三个“新”波长处泵浦Nd，即878.6nm、885nm和888nm。通过在封装的激光二极管模块中集成体布拉格光栅（VBG），可将波长锁定在目标值，从而不需要再对激光二极管的温度进行精确控制。所有这些长波长都比传统的808nm泵浦波长具有诸多优势，尤其是888nm，还具有其他重要的与偏振相关的优势。

使用这些长波长的第一个优点是，与808nm泵浦相比，能将量子亏损显著减少50％以上。这个优势的直接结果是，由此而产生的多余热量也减少了50％以上。此外，该DPSS激光器现在能作为准三能级激光器运行，这在本质上要比808nm泵浦驱动的四能级系统更加高效。最为重要的是，更多的泵浦功率被转换为DPSS输出，因此需要管理的热量浪费更少。

更低的吸收和更大的泵浦体积

使用三个“新”波长泵浦Nd的另一项重要的效率优势是：因为Nd的吸收峰在880nm处比808nm处低得多；降低的吸收强度使得泵浦光可以更深入地渗透到增益晶体中（见图3）。这样一来就增加了泵浦体积，即可吸收光的体积，因此，这也使得晶体中产生不必要热量的体积减少了。

图3：Nd：YVO₄晶体吸收泵浦功率的深度取决于泵浦波长：用809nm泵浦短晶体，泵浦光的穿透深度较小（a）；用880nm泵浦长晶体，泵浦光的穿透深度较大，几乎穿透了整个晶体长度（b）。

从图3中可以看出，使用880nm的长波长泵浦产生的热量更少，并且该热量散布在更大的体积上。因此，这种组合允许使用更长的晶体（例如30mm），这些晶体也可以安全地以高功率泵浦，并且其热透镜效应更低，这样就能在更宽的输出功率范围内，提供更好的光束质量。因此，新一代的调Q输出DPSS激光器应运而生，特别是绿光和紫外光DPSS激光器，它们所提供的输出功率，为更好地探讨众多微加工应用提供了更多可能。

888nm是最佳泵浦波长

出于多种原因，激光晶体通常沿其b轴泵浦。对于808nm和880nm的泵浦光，在a轴和c轴上产生的吸收效果非常不同，并且当泵浦光沿着c轴偏振时，吸收会强得多，如图1所示。问题是光纤传输的泵浦光是自然非偏振的。因此，如果将来自光纤的泵浦光直接聚焦到晶体中，则不能针对泵浦功率和目标DPSS激光器工作特性，来完全优化晶体掺杂和晶体长度。

如果针对a轴吸收对晶体进行优化，那么将有一半的光会穿透到晶体中很深的部位。相反，如果针对c轴吸收对晶体进行优化，则会有一半的光将无法在晶体中穿透得足够深。为了解决这个难题，通常使用偏振立方分束器将来自光纤的光分开。具有“错误”偏振的50％被传输到增益晶体的另一端，并使用波片将其偏振旋转90°，以便所有泵浦功率以相同的强度被吸收。这种泵浦方案对由移动光纤引起的偏振变化非常敏感，这可能导致晶体中泵浦吸收程度的急剧变化，从而导致DPSS激光器的功率不稳定。

但是，在888nm处，晶体对于沿a轴和c轴偏振的吸收非常相似，如图1所示。此外，在888nm处，Nd的吸收光谱随泵浦波长轻微变化。因此，泵浦光可以直接从光纤耦合到晶体中，而无需中继光学元件和波片，也不需要两端泵浦所需的重复聚焦和二向色光学元件。此外，888nm泵浦方案对光纤移动的敏感性大大降低，甚至可以忽略不计。目前，相干公司可提供888nm泵浦模块。

在888nm处，吸收强度相对于微小波长变化的依赖性较弱，这具备另一项非常重要的好处：泵浦的主动波长锁定（包括严格的温度控制）对于稳定的DPSS输出不再至关重要。这样一来，就简化了激光器并降低了组件和组装成本。但是，使用集成VBG的被动波长稳定仍然是首选，因为这种方法可以将由于二极管驱动电流变化而引起的任何波长偏移减至最小，从而带来更宽的性能范围。最终结果是，DPSS激光器的功率与888nm下的二极管驱动电流成线性比例关系。对于需要调制或者由于任何原因必须改变功率的任何应用，这都是非常有价值的特性。

单发射器架构

相干公司最近推出了称为FACTOR的新型光纤耦合二极管模块系列，其提供三种新的可选波长：878.6nm、885nm和888nm。这些优点检查的几个技术方面因素如下。首先，FACTOR模块均基于单发射器形式。每个模块都包含一系列单发射器，所有这些发射器都位于一块公共基板上，并且全部对准以耦合到单个永久连接的输出光纤中。为什么选用单发射器？如前所述，效率是长波长泵浦的一个主要优势，可提供更高的功率、更好的光束质量、线性调制、更低的成本，以及更低的碳排放以实现更加绿色环保的制造。

使用散热效果好的单发射器，可以非常有效地冷却二极管。这样，就允许二极管可以在接近其最大功率下工作，而不必担心热量积累会影响性能或缩短寿命。这种方案能最大程度地减少所需要的发射器总数，从而降低DPSS制造商的组件成本。另外，单发射器的输出也更容易耦合到光纤中。结合复杂的光纤耦合概念，这些新型FACTOR系列模块将提供出色的耦合效率，从而进一步提高DPSS的效率。

制造基于单发射器架构的光纤耦合泵浦模块并非没有挑战，但相干公司的垂直整合已经为所有挑战提供了解决方案。除了组装和测试这些模块外，相干公司还在内部制造所有关键组件，从用于制造激光二极管的晶圆，到VBG滤光片、再到传输光纤等等。对这些组件的生产进行全面控制，可确保高性能和高可靠性，并延长使用寿命。