就武漢中國(guó)光谷產(chǎn)業(yè)而言，能量光電子是其中最重要的組成部分，而激光器及其激光設(shè)備又是能量光電子的核心產(chǎn)品。自第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世，固體激光器就一直占據(jù)了激光器發(fā)展的主導(dǎo)地位，特別是在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的半導(dǎo)體激光器以及在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)的全固化固體激光器更因?yàn)轶w積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定、可靠性好和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為光電行業(yè)中最具發(fā)展前途的領(lǐng)域。目前世界范圍內(nèi)銷(xiāo)售的商品固體激光器已有500余種，但從1998年開(kāi)始，固體激光器中的Nd:YAG激光器的市場(chǎng)占有率和銷(xiāo)售額已升為第一位。
     傳統(tǒng)的固體YAG激光器，通常由摻釹釔鋁石榴石晶體棒、泵浦燈、聚光腔、光學(xué)諧振腔、電源及制冷系統(tǒng)組成，其轉(zhuǎn)換效率為2%到3%。另一方面整個(gè)激光器需要龐大的制冷系統(tǒng)，體積很大。泵浦燈的壽命約為300到1000小時(shí)，操作人員需花很多時(shí)間頻繁的換燈，中斷系統(tǒng)工作，使自動(dòng)化生產(chǎn)線的效率大大降低。因此技術(shù)上沒(méi)有大的發(fā)展空間，全固化固體激光器將取代燈泵浦固體激光器，這是固體激光器的發(fā)展方向。近年來(lái)由于大功率激光二極管制造工藝的成熟和生產(chǎn)成本的降低，使二極管泵浦固體激光器的研究得到了飛快的發(fā)展，且已正式進(jìn)入商品化。世界著名的激光公司Rofin-Sinar所銷(xiāo)售的激光工業(yè)加工設(shè)備中60％已是二極管泵浦的固體激光器。表一給出了三類(lèi)激光器的特性比較。

    表一、光纖激光器、二極管泵浦固體激光器和燈泵浦固體激光器的特性比較

    * 輸出功率大于100瓦時(shí)一般采用光纖束，但光束質(zhì)量比所有其它激光器系統(tǒng)高一個(gè)量級(jí)。

    與傳統(tǒng)燈泵浦固體激光器比較，全固化固體激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

    1)轉(zhuǎn)換效率高：由于半導(dǎo)體激光的發(fā)射波長(zhǎng)與固體激光工作物質(zhì)的吸收峰相吻合，加之泵浦光模式可以很好地與激光振蕩模式相匹配，從而光光轉(zhuǎn)換效率很高，已達(dá)50％以上，整機(jī)效率也可以與二氧化碳激光器相當(dāng)，比燈泵固體激光器高出一個(gè)量級(jí)，因而全固化固體激光器可省去笨重的水冷系統(tǒng)，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，易于系統(tǒng)集成，性能價(jià)格比高。

    2)性能可靠、壽命長(zhǎng)：激光二極管的壽命大大長(zhǎng)于閃光燈，達(dá) 15000小時(shí)以上，而閃光燈的壽命只有300-1000小時(shí)。激光二極管的泵浦能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個(gè)數(shù)量級(jí)，性能可靠，可制成全固化器件。運(yùn)行壽命長(zhǎng)，成為至今為止唯一無(wú)需維護(hù)的激光器，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。

    3)輸出光束質(zhì)量好：由于二極管泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率，減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，大大改善了激光器的輸出光束質(zhì)量，激光光束質(zhì)量已接近理論極限M² = 1。

 二、全固化固體激光器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

    全固化固體激光器可分為兩類(lèi)：二極管泵浦固體激光器和光纖激光器?，F(xiàn)將其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)分別敘述如下。

    1.二極管泵浦固體激光器

    激光二極管泵浦固體激光器的種類(lèi)很多，可以是連續(xù)的、脈沖的、調(diào)Q的，以及加倍頻混頻等非線性轉(zhuǎn)換的。工作物質(zhì)的形狀有圓柱和板條狀的。而泵浦的耦合方式又分為直接端面泵浦、光纖耦合端面泵浦和側(cè)面泵浦三種結(jié)構(gòu)。泵浦所用的激光二極管或激光二極管陣列出射的泵浦光，經(jīng)由會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)將泵浦光耦合到晶體棒上，在晶體棒的泵浦耦合面上為減少耦合損失而鍍有對(duì)激光二極管波長(zhǎng)的增透膜。同時(shí)，該端面也是固體激光器的諧振腔的全反端，因而端面的膜也是輸出激光的諧振腔，起振后產(chǎn)生的激光束由輸出鏡耦合輸出。

圖一 二極管直接端面泵浦固體激光器示意圖

     實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與其它兩種泵浦方式相對(duì)比，端面泵浦的效率最高。其原因?yàn)椋涸诒闷旨す饽Ｊ讲惶畹那闆r下，泵浦光都能由會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)耦合到工作物質(zhì)中，耦合損失較少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而產(chǎn)生的振蕩光的模式與泵浦光模式有密切關(guān)系，匹配的效果好，因此，工作物質(zhì)用泵浦光的利用率也相對(duì)高一些。然而，端面泵浦雖然效率高，但固體激光的輸出功率受端面限制，因?yàn)槎嗣孑^小時(shí)只能采用單元的激光二極管，這就限制了泵浦光的最大功率。如果采用功率較大的激光二極管陣列作泵浦源，則由于陣列型二極管輸出的泵浦光模式不好，因而不易將崩浦光有效地耦合到工作物質(zhì)中，實(shí)際上降低了效率。而且由于泵浦光的模式較為復(fù)雜，泵浦后輸出的1.06μm激光的光束質(zhì)量也不易保證。