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。通过光泵浦，它们能产生接近 1 µm 的输出波长，并且钕的激发态寿命允许实现连续波（CW）和脉冲（Q 开关）运转。

使用椭圆反射镜将强光闪光灯和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，激光腔的长度通常为几英寸，具体由激光腔中常用的全反射镜和半反射镜或输出耦合镜之间的距离决定。

这种灯泵方法存在几个局限性。首先，泵浦效率低下，部分原因是灯在将电能转化为泵浦光方面效率低下，并且会产生大量不想要的热量。但更重要的是，这些灯在可见光和红外波段会产生宽带发射。因此，大部分泵浦光不会被激光增益晶体吸收，最终只会在泵浦模块中产生更多的热量，而这些热量必须通过激光头的水冷来带走。而且，这些灯还需要几千瓦的电源供电。

对于许多工业应用来说，灯泵最大的缺点是 CW 弧光灯的寿命短，必须每 200-600 小时更换一次。当更换灯泡后，通常需要对腔内光学器元件重新对准，以保持激光器的良好输出模式。实际上，这种频繁的日常维护恰恰掩盖了灯泵的另一个局限性——无论是否更换灯泡，灯泵机制的光学对准往往会随着时间的推移而漂移，因此需要定期重新对准。半导体泵浦消除了这些限制和缺点。

半导体泵浦的原理很简单。掺钕激光晶体在 808 nm 和 880 nm 处具有强烈的尖锐吸收峰，而 InGaAs 半导体激光二极管很容易产生这些波长（见图 1）。激光二极管将其大部分电输入转换为激光，然后被掺钕晶体有效吸收。半导体泵浦激光器的插座效率比灯泵浦激光器的高出许多倍。

图1：闪光灯在宽光谱范围内发光（b），但 Nd:YAG 等激光晶体仅吸收窄波段的光（a）。半导体激光器仅发射在这些波段（b）中的一个波长，半导体激光器泵浦相对高效。

除了电效率之外，半导体泵浦方法还有其他几个主要优点。根据输出功率，这些激光器产生的热量相对较少，因此可能不会像灯泵激光器那样需要大量冷却水。此外，二极管由低压电源供电，该电源与单相（110/220V）线路兼容，或与一些激光机床中的较低电压的设备相兼容。

此外，由于二极管的紧凑尺寸，因此也可以大大缩小激光头的尺寸。

对于原始设备制造商（OEM）和工业终端用户而言，二极管的长寿命是另一项优势，这项优势能最大限度地减少维护时的停机时间。事实上，随着半导体泵浦固态（DPSS）激光器中使用的二极管的可靠性不断提高，DPSS 激光器可以实现长达多年的不间断运转。

激光器的结构

将半导体激光泵浦光引入激光晶体有几种基本方法，其中常用的两种方法是端面泵浦和侧面泵浦。一般来说，端泵激光器能提供高质量输出光束，并且在高达数十瓦的功率下，具备先进的性能和稳定性；而侧泵激光器则牺牲了光束质量，以提供高达几千瓦的原始功率。

在侧面泵浦中，半导体激光巴条或叠阵围绕激光晶体呈圆柱形排列（见图 2）。每个巴条的输出光，经过一个柱面透镜和/或透镜阵列来聚焦。因此，大量晶体被泵浦光照射，实现高功率和多模输出（M2>100）。这些被泵浦的晶体，每一个都作为独立模块安装。高功率激光器包含多个串联的模块，每个模块用于放大前一个模块的输出。

图 2：侧面泵浦使大量泵浦巴条（或叠阵）围绕在单个激光棒周围。

通常，侧泵激光器是从早期的灯泵设计中衍生而来的。尽管如此，它们比传统的灯泵激光器具有显著的可靠性优势，并且在焊接和金属切割等重型材料加工应用中脱颖而出。

侧泵的目标是将尽可能多的功率有效地耦合到输出的激光中。相比之下，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。这不仅产生了较低 M2 值的输出，而且实现了最有效的谐波转换，提供了绿光和紫外波长。

端面泵浦的一种更传统的方法是光纤耦合，如 FCbar（光纤耦合激光二极管巴条）中使用的光纤耦合技术。该技术最初由 Spectra-Physics 公司开发，其中每个半导体激光器端面都耦合到一个单独的光纤中。然后将光纤环形捆绑，从而将高度不对称的二极管巴条输出，转换为适合激光晶体高效端面泵浦的高亮度光斑（见图 3）。此外，由于FCbar 模块安装在电源中，光纤连接到激光头，因此可以在现场简单更换，而无需任何光学重新对准。

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

这种架构可以从紧凑、坚固、免维护的封装中，产生高质量（M2<1.2）光束，并具有出色的维护寿命。同样重要的是，灵活的二极管泵浦技术提供了广泛的输出功率，可以选择 CW、Q 开关和锁模输出。

随着激光二极管技术的创新和单管输出功率的增加，更先进的端泵设计使用了单管激光器，其输出直接通过光纤耦合到激光头内，从而使激光头的集成和更换更加容易。如今，二极管的预期寿命超过 10 年，特别是在低于其最大额定功率（称为降额）运转时。事实上，这种设计技术使得这些模块在多年的连续运转中，几乎不需要对泵浦激光器进行维护。此外，将二极管集成在激光头中的一个附带好处是，消除了外部光纤耦合可能产生的潜在问题，使激光头的更换简单快捷。

由于可靠性的提高和成本的降低，端泵固态激光器满足了很多高精度工业应用场景的需求，如 PCB、Flex PCB 的钻孔和切割、电阻器微调、增材制造、立体光刻（快速成型）、ITO 刻图、检测、制图、精密打标，以及从玻璃和硅到陶瓷和金属等各种材料的微加工。此外，它们的低拥有成本和操作简单性，也使得那些使用早期激光器成本较高或不切实际的应用得以实现。

自从引入半导体泵浦以来，人们已经研究了许多激光晶体的几何形状，并取得了不同程度的商业成功。最重要的几种晶体形状是圆柱形棒、板条和碟片（见图 4）。根据功率/模式要求，板条和棒状激光晶体可以设计为端泵或侧泵，而碟片晶体只能进行端面泵浦。通常，棒状晶体在低/中功率、高模式质量应用中占主导地位，而板条和碟片晶体通常用于高功率激光器。

图4：在商用半导体泵浦激光器中，激光晶体通常为碟片、棒状或板条。

YAG和YVO4

灯泵激光器中使用的最常见的掺钕材料是 Nd:YAG，它提供了相对易于生长、大且无缺陷的晶体，并且在光学和机械性能上都很坚固。另一种材料 Nd:YVO4（钕：钒酸钇），比 Nd:YAG 具有更高的增益。然而，长期以来，人们并没有将 Nd:YVO4 作为一种商业材料，因为这种晶体很难生长（即无法制造出用于灯泵系统的足够长度）。随着端泵结构的出现，能够使用更小的激光晶体才使得 Nd:YVO4 具有了更多的吸引力。此外，Nd:YVO4 能实现更短的脉冲长度，这对于很多应用都是有利的。

Nd:YVO4 的增益大约是 Nd:YAG 的5.5倍。这意味着：Nd:YVO4 允许非常短的脉冲（<10ns）调 Q 输出，并且在高重复频率下具有优异的脉冲-脉冲稳定性（见表 1）。与 Nd:YAG 不同，Nd:YVO4 具有很强的双折射性和自然偏振性。因此，Nd:YVO4 激光器的输出自然偏振，无需腔内偏振器。

对于端泵激光器，Nd:YVO4 通常是高频脉冲（>10kHz）和 CW 运转的首选材料。事实上，这种高增益材料的成熟，对于将这些激光器的功率提高到市场需求水平至关重要。另一方面，Nd:YAG 仍然常用于许多以较低重复频率运转的激光器中。

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

完全密封的激光器

在许多应用中，通常首选使用棒状晶体的端泵激光器，这主要是因为它们几乎是零维护工作。降额（远低于其最大额定功率）运转的泵浦二极管，可以将激光器的寿命延长到远超过 10 万小时。

这允许采用一种新的将整个谐振腔密封起来的设计方法，这种设计在可靠性、稳定性、光束质量、紧凑封装和操作简单性方面，设定了新标准。对于工业应用，这些优势将转化为低拥有成本和高加工产量。

具体来说，通过使用密封腔，完全消除了对准漂移和光学表面污染的传统缺陷。有几种成功的方法可以做到这一点。MKS 公司采用的一体式方法是将所有光学元件，沿着封闭箱内的一个工字梁结构的横梁牢固地安装（见图 5）。这种工字梁结构提供了优异的扭转刚度和稳定性。而且，即使腔温发生变化，工字梁结构也会均匀膨胀，确保光学元件沿着同一个中心轴完美地对准。

图 5：实现激光腔长期稳定性的一种方法是，将所有光学元件安装在一个刚性工字梁上。

此外，光学支架全部为金属材质，以便最低限度地使用环氧树脂或其他释放气体的组件。由于不需要调节或清洁腔内光学元件，因此激光器在洁净室中组装和测试，然后在工厂密封，消除了光学表面污染这一故障机制。同样重要的是，使用小型、不可调节的支架和光纤耦合二极管，可以实现极其紧凑的激光器。

绿光和紫外输出

近红外（1.06 µm）输出可用于电阻微调和金属表面打标等应用，但许多激光应用需要可见光或紫外波长。幸运的是，使用 LBO（三硼酸锂）和 BBO（硼酸钡）等非线性晶体，可以将端泵激光器产生的TEM00 输出光，有效地二倍频到 532 nm、三倍频到 355 nm 甚至四倍频到 266 nm。

在半导体泵浦的 CW 激光器的当前功率水平下，必须将非线性晶体放置在激光腔内，以获得有用的二次谐波功率水平。Spectra-Physics 于1996 年推出了第一台多波长连续绿光激光器 Millennia。如今，这些激光器已经比较成熟，其输出功率已经超过 25 W。

锁模 CW 激光器提供了获得更高功率的绿光和紫外输出的另一种途径。SBR（可饱和布拉格反射镜）技术实现了简单的锁模，其足够牢固可靠，能够满足要求苛刻的工业应用需求。锁模激光器的高峰值功率，允许非常有效的腔外二倍频和三倍频，在 355 nm 能提供数瓦的功率。此外，高重复频率（80 MHz）意味着这些准 CW 激光器，已经在许多 CW 紫外应用中取代了笨重的离子激光器。

调 Q 脉冲激光器的峰值功率足以实现腔外二倍频和三倍频。密封的一体式激光器的稳定对准特性，使得可以通过简单的“螺栓连接”，为其添加二倍频和三倍频模块，以及更具成本效益的集成式谐波转换方法。

图 6：具有颠覆性性价比的 Talon 激光器。

最新的技术进展

对于拓展调 Q 半导体泵浦激光器的应用，有三个激光发展领域特别值得注意，包括提高脉冲重复频率、增强可用的绿光（532 nm）和紫外（355 nm）输出功率，以及在时域中操纵激光输出脉冲。提高脉冲重复频率对工业应用至关重要，因为它可以直接带来加工产量的增加和/或质量的提高。更高的绿光和紫外输出功率，能够以更高的精度加工更多材料，从而满足大规模生产的微电子产品等对更高密度组件的需求。在时域中调节输出脉冲，意味着能够更多地控制光与材料相互作用的效率，以提高加工速度和质量。

图 7：体积非常紧凑的 Explorer XP 激光器。

脉冲重复频率通常是划线和打标等高吞吐量应用中的工艺限制因素。这里，并不能充分利用偏转光束的激光振镜的高扫描速度；必须降低扫描速度，以避免由于单个激光脉冲而沿切割边缘产生条纹或“虚线”切割或凹槽。激光器制造商通过开发具有更高重复频率的调 Q 激光器，来应对这一限制。

Nd:YVO4 通常是更高重复频率激光器的首选材料，但是典型的端泵设计在最大重复频率仅为 40~50 kHz 时提供峰值性能。传统上，将这些激光器推向更高的重复频率，会导致更低的单脉冲能量和更低的总功率，并且脉冲-脉冲间的噪声会显著增加。然而，最近的设计利用先进的泵浦方案和用于绿光和紫外输出的谐波转换，产生了重复频率范围>700 kHz 的 Nd:YVO4 激光器，其具有低脉冲-脉冲间噪声和仍然较短的脉冲宽度，这对于很多应用都非常有利。

如前所述，半导体泵浦激光器的一个优点是尺寸小巧。图 7 显示了一个非常紧凑的激光器，其红外、绿光或紫外输出的光束质量几乎接近衍射极限（TEM00），可以实现紧密聚焦和高空间分辨率。高可靠性、高重复频率和高脉冲-脉冲稳定性，使这种激光器适用于许多要求苛刻的应用，如微加工、打标和 3D 立体光刻。通过将激光器和控制器集成到单个一体式封装中，可以进一步减小整个激光系统的占地面积和体积。

突破性技术

半导体泵浦固体激光器领域最近取得的一项最重要的突破是混合光纤/DPSS 激光器，其将光纤激光技术和 DPSS 功率放大与高效谐波产生相结合。最新版本的混合光纤激光器（见图 8），现在可以提供超过100 W 的紫外输出功率。这种激光器能够以超高的生产速度对广泛的材料进行精密加工。

图 8：混合光纤激光器。

混合光纤/DPSS 激光器的脉冲串加工模式，能实现更好的加工质量或更快的加工速度，或两者兼而有之，具体取决于被加工的材料。也有输出绿光的混合光纤/DPSS 激光器，其更适合某些特定材料的加工。混合架构能以几乎接近衍射极限的光束质量和非常低的光学噪声，实现出色的加工性能。

高功率水平，与“控制和优化脉冲宽度、组合”的能力和脉冲串工作模式相结合，能够以非常高的速度对广泛的材料进行高精度加工，这些材料包括硅、PCB 和陶瓷。表 2 总结了加工每种材料时，有利于加工质量和速度的一些特性。最具挑战性的应用之一是切割智能手机和平板电脑/PC 中使用的盖板玻璃，这是一种化学强化玻璃，切割速度可以高于 1.5 m/s。

结果表明，工艺配方开发需要极大的灵活性和精细化，以适应工艺和用户的目标。通过适当的参数优化，可以实现高质量和高产量，提高当今激光微加工工艺的能力，以应对未来消费电子产品的制造挑战。

图 9：混合光纤/DPSS 皮秒工业紫外激光器。

由于其多功能性和极低的拥有成本，DPSS 混合激光器设计架构已经拓展到了工业超快激光器。图 9 显示了一种独特的混合光纤/DPSS 工业皮秒激光器。这些皮秒混合光纤/DPSS 激光器结合了高功率输出的性能、低拥有成本和多功能性，可以进一步优化脉冲串模式下的皮秒加工，并且可以配置为 IR、绿光或UV输出波长。

结论

半导体泵浦彻底改变了固态激光器的设计，并使创新设计能够满足当今制造工艺不断变化的需求。使用该技术的最新发展，提供了独特的优势组合，包括低功耗、低发热、紧凑的封装、出色的模式质量、高脉冲-脉冲稳定性、令人印象深刻的高可靠性，以及在宽工作范围内各种波长下的极高功率。通过定制这些激光器的性能以满足一些新应用的特定需求，激光器制造商为这些激光器在各种现有和新兴应用、以及独特的新材料加工领域确保了一个健康市场；这些激光器的波长覆盖 IR 到 UV 波段，脉冲宽度涵盖了纳秒到飞秒范围。

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

转自：MKS光电解决方案

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