泵浦腔和光耦合器件
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与灯泵浦的固态激光器相比，DPL的泵浦技术极 其重要、丰富多彩、卓有成效。
DPL
1.LD端面泵浦
S-P LD泵浦532nm激光器
Output Beam
LBO Doubling Crystal
Diode Pump From ProLte
Nd: YVO4 Gain Medium
Diode Pump From ProLite
泵浦腔和光耦合器件
2020年4月21日星期二
镀
金
反
射
体
、
镀 银
一、闪光灯泵浦
反
射
体
、
陶
瓷 反 射
聚光腔
体
、 玻
几何种类
璃
反
射
体
反射体型号 ALPHA LASERS STGCALS35 STGCEALS35
STGCEALS35S STCEPALS35ST STGCEALS75 STCEPALS75T AB LASER INC STGC600
DPL
小结1
端面泵浦：效率高，光束质量好，输出平 均功率不高，用于中小功率；
侧面泵浦：输出功率高，光束质量和效率 较低；
混合泵浦：
DPL技术的发展大大突破了早期的局限
端面泵浦获得高平均功率
千瓦的棒、薄片，百万瓦级盘片设计。 关键：大而均匀的泵浦面积；高功率密度LD及 高密度封装（＞500W/cm2）；扩散键合；高 效热交换等。
Coherent DPL 532nm激光器
LD端面泵浦速率方程
LD侧面泵浦
紧耦合
为了优化增益介质内泵浦分布的均匀性和辐射 分布，已经设计了很多关于光线行程程序。
有一个程序称为CRADLE，它利用激光二 极管阵列泵浦系统的总光线行程，解决 了侧面泵浦激光棒中辐射传输的常见问 题。
板条侧面泵浦的直腔
材料种类
侧面泵浦薄片叠放
椭圆泵浦腔
紧耦合结构
聚光腔耦合效率（理论）
椭圆聚光腔的效率与e的关系
单椭圆腔效率
双椭圆腔效率
聚光腔设计经验数据
要得到最高的效率、使用较短的激光棒(最长为10cm) ，最好选用小体积单椭圆柱腔、旋转椭球腔或球状腔． 如要使用较长的激光棒，选用紧包结构，也可获得相近 的效率．
最佳的小椭圆柱腔的泵浦腔与旋转椭球腔的泵浦腔有 同样好的效果．
可以通过多圆柱椭圆腔来增加泵浦灯的数量，同时产 生对称的泵浦．如果要维持小腔体，最低程度地降低 效率就可以实现 。
紧合单椭圆柱腔设计步骤 首先，根据下式确定棒与泵浦源韵最小间距：
求出椭圆的长轴：
激光棒中的泵浦光分布 泵浦腔特性 棒自身产生的双折射聚焦 灯泵浦辐射的不均匀性吸收
长轴与棒直径的比值较小的小椭圆腔的效率高于大椭圆 腔．在业椭圆腔中，直接辐射部分较多，绝大部分泵浦 辐射在腔壁上一次反射后就到达激光棒。因此，这种结 构的反射率小于l，结构的不完善和光路的遮拦对效率 的影响要小于椭圆柱腔．主张椭圆柱腔尽可能小的另一 个有力理由是，如果腔体积与激光棒体积之比较小，遗 失辐射重新回到激光棒的概率就会增．
Efficient cooling
Small thermal lens
High pump power density Power scalability
DPL
300W泵浦时输出127W，斜率效率58％，泵浦光 的吸收效率～87％
O.L.Vol. 26, p.986, 2001
5.高亮度、高平均功率全固态薄片激光器
传统的固体激光
难以发展成为高平均功率
高亮度的固体激光器
pump
laser
热梯度
高平均功率：数千瓦热、应万力瓦、十万瓦
热透镜
高亮度：
STGCE600
反射体型号
反射体型号
完整金腔组件 镀金椭圆腔体(镀金体、镀金
反射体) 镀金椭圆腔体(镀金体、镀金
反射体) 聚四氟乙烯腔体端板 镀金椭圆腔体(镀金体、镀金
反射体) 聚四氟乙烯腔体端板
ALC35, ALO35, ALS35
完整金腔组件
镀金椭圆腔体(镀金体、镀金 反射体)
Baasel 600, 601, 612, 615
DBiblioteka BaiduL
A.O.,p.986,2000
DPL
传导冷却板条
泵浦光 泵浦光
冷却面 激光
冷却面
泵浦光
h b
泵浦光
冷却、泵浦面 分开，简化激 光头设计；
泵浦光的吸收 效率高，可采 用大数值孔经 光源；
冷却面
减少板条厚度 以改善散热而 不影响对泵浦 光的吸收；
激光
泵浦光
泵浦光 传导冷却均匀 ，稳定。
h
b
冷却面
上述三个效应都取决于泵浦结构、 激光棒圆柱表面的加工、光学厚度 。
射线通过下列半径的棒的中心 泵浦光强与棒中光路的长度x之间的关系
改善漫反射腔中对激光棒的泵浦均匀性。给棒打 毛，或棒浸在液体中，或棒包一层物质，都可减 少棒内的聚焦效应。
• 速率方程 Wp为常数
勇于开始，才能找到成 功的路
二、LD泵浦
DPL
4.侧面泵浦获得高效率、高光束质量。
关键： 漫反射；多次吸收；p偏振；计算机 辅助设计 ；高功率 （吸收均匀－泵浦结构，掺杂浓度，…） 密度LD；扩散键合；高效热交换。
DPL
电-光效率28％，光-光效率53％，TEM00模208 W
O.L., p.602, 2001
DPL
LD快轴平行于棒轴，泵浦光以p偏振射入工作介质
M2 < 3光束质量
光斑不对称 像散 加工精度高
失调灵敏
热容模式 热管理模式
实时冷却
薄片激光器的优势
Asurface>>d
cooling
Ppump
Axial heat flow Ppump
Multi pump beam pass
Beam quality keeping
Ppump Ppump
DPL
DPL
端面泵浦高平均功率
CW输出1080 W，
《OL》，2000
DPL
DPL
DPL
DPL
d～6 mm，t～200 m，dt，可保证晶体内一维的温度梯度分布。泵光16次通过 晶体，腔内4块晶体输出（cw） 1070 W，光-光=48%，M2＝80
IEEE JQE,p.650, 2000
从理论上说，如果rR/rL比值大，椭圆柱腔就可能产生最 高的效率。不过，从灯的寿命来说，该比值较小为好．
在小椭圆腔中，高反射率极其重要，而椭圆腔的机械 容限并不是很关键.这并不奇怪，因为在紧耦合椭圆腔 中，灯和棒的截面相对于椭圆腔的尺寸已相当大了,这 会降低精确成像的要求.
椭圆柱腔的长度相对于直径而言应尽可能地大，而激 光棒、泵浦灯和腔长都应该是相同的．
DPL
1.LD端面泵浦
S-P LD泵浦532nm激光器
Output Beam
LBO Doubling Crystal
Diode Pump From ProLte
Nd: YVO4 Gain Medium
Diode Pump From ProLite
泵浦腔和光耦合器件
2020年4月21日星期二
镀
金
反
射
体
、
镀 银
一、闪光灯泵浦
反
射
体
、
陶
瓷 反 射
聚光腔
体
、 玻
几何种类
璃
反
射
体
反射体型号 ALPHA LASERS STGCALS35 STGCEALS35
STGCEALS35S STCEPALS35ST STGCEALS75 STCEPALS75T AB LASER INC STGC600
DPL
小结1
端面泵浦：效率高，光束质量好，输出平 均功率不高，用于中小功率；
侧面泵浦：输出功率高，光束质量和效率 较低；
混合泵浦：
DPL技术的发展大大突破了早期的局限
端面泵浦获得高平均功率
千瓦的棒、薄片，百万瓦级盘片设计。 关键：大而均匀的泵浦面积；高功率密度LD及 高密度封装（＞500W/cm2）；扩散键合；高 效热交换等。
Coherent DPL 532nm激光器
LD端面泵浦速率方程
LD侧面泵浦
紧耦合
为了优化增益介质内泵浦分布的均匀性和辐射 分布，已经设计了很多关于光线行程程序。
有一个程序称为CRADLE，它利用激光二 极管阵列泵浦系统的总光线行程，解决 了侧面泵浦激光棒中辐射传输的常见问 题。
板条侧面泵浦的直腔
材料种类
侧面泵浦薄片叠放
椭圆泵浦腔
紧耦合结构
聚光腔耦合效率（理论）
椭圆聚光腔的效率与e的关系
单椭圆腔效率
双椭圆腔效率
聚光腔设计经验数据
要得到最高的效率、使用较短的激光棒(最长为10cm) ，最好选用小体积单椭圆柱腔、旋转椭球腔或球状腔． 如要使用较长的激光棒，选用紧包结构，也可获得相近 的效率．
最佳的小椭圆柱腔的泵浦腔与旋转椭球腔的泵浦腔有 同样好的效果．
可以通过多圆柱椭圆腔来增加泵浦灯的数量，同时产 生对称的泵浦．如果要维持小腔体，最低程度地降低 效率就可以实现 。
紧合单椭圆柱腔设计步骤 首先，根据下式确定棒与泵浦源韵最小间距：
求出椭圆的长轴：
激光棒中的泵浦光分布 泵浦腔特性 棒自身产生的双折射聚焦 灯泵浦辐射的不均匀性吸收
长轴与棒直径的比值较小的小椭圆腔的效率高于大椭圆 腔．在业椭圆腔中，直接辐射部分较多，绝大部分泵浦 辐射在腔壁上一次反射后就到达激光棒。因此，这种结 构的反射率小于l，结构的不完善和光路的遮拦对效率 的影响要小于椭圆柱腔．主张椭圆柱腔尽可能小的另一 个有力理由是，如果腔体积与激光棒体积之比较小，遗 失辐射重新回到激光棒的概率就会增．
Efficient cooling
Small thermal lens
High pump power density Power scalability
DPL
300W泵浦时输出127W，斜率效率58％，泵浦光 的吸收效率～87％
O.L.Vol. 26, p.986, 2001
5.高亮度、高平均功率全固态薄片激光器
传统的固体激光
难以发展成为高平均功率
高亮度的固体激光器
pump
laser
热梯度
高平均功率：数千瓦热、应万力瓦、十万瓦
热透镜
高亮度：
STGCE600
反射体型号
反射体型号
完整金腔组件 镀金椭圆腔体(镀金体、镀金
反射体) 镀金椭圆腔体(镀金体、镀金
反射体) 聚四氟乙烯腔体端板 镀金椭圆腔体(镀金体、镀金
反射体) 聚四氟乙烯腔体端板
ALC35, ALO35, ALS35
完整金腔组件
镀金椭圆腔体(镀金体、镀金 反射体)
Baasel 600, 601, 612, 615
DBiblioteka BaiduL
A.O.,p.986,2000
DPL
传导冷却板条
泵浦光 泵浦光
冷却面 激光
冷却面
泵浦光
h b
泵浦光
冷却、泵浦面 分开，简化激 光头设计；
泵浦光的吸收 效率高，可采 用大数值孔经 光源；
冷却面
减少板条厚度 以改善散热而 不影响对泵浦 光的吸收；
激光
泵浦光
泵浦光 传导冷却均匀 ，稳定。
h
b
冷却面
上述三个效应都取决于泵浦结构、 激光棒圆柱表面的加工、光学厚度 。
射线通过下列半径的棒的中心 泵浦光强与棒中光路的长度x之间的关系
改善漫反射腔中对激光棒的泵浦均匀性。给棒打 毛，或棒浸在液体中，或棒包一层物质，都可减 少棒内的聚焦效应。
• 速率方程 Wp为常数
勇于开始，才能找到成 功的路
二、LD泵浦
DPL
4.侧面泵浦获得高效率、高光束质量。
关键： 漫反射；多次吸收；p偏振；计算机 辅助设计 ；高功率 （吸收均匀－泵浦结构，掺杂浓度，…） 密度LD；扩散键合；高效热交换。
DPL
电-光效率28％，光-光效率53％，TEM00模208 W
O.L., p.602, 2001
DPL
LD快轴平行于棒轴，泵浦光以p偏振射入工作介质
M2 < 3光束质量
光斑不对称 像散 加工精度高
失调灵敏
热容模式 热管理模式
实时冷却
薄片激光器的优势
Asurface>>d
cooling
Ppump
Axial heat flow Ppump
Multi pump beam pass
Beam quality keeping
Ppump Ppump
DPL
DPL
端面泵浦高平均功率
CW输出1080 W，
《OL》，2000
DPL
DPL
DPL
DPL
d～6 mm，t～200 m，dt，可保证晶体内一维的温度梯度分布。泵光16次通过 晶体，腔内4块晶体输出（cw） 1070 W，光-光=48%，M2＝80
IEEE JQE,p.650, 2000
从理论上说，如果rR/rL比值大，椭圆柱腔就可能产生最 高的效率。不过，从灯的寿命来说，该比值较小为好．
在小椭圆腔中，高反射率极其重要，而椭圆腔的机械 容限并不是很关键.这并不奇怪，因为在紧耦合椭圆腔 中，灯和棒的截面相对于椭圆腔的尺寸已相当大了,这 会降低精确成像的要求.
椭圆柱腔的长度相对于直径而言应尽可能地大，而激 光棒、泵浦灯和腔长都应该是相同的．