1 绪论
1.1 引言
激光（LASER）是受激辐射光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的简称。1916 年，爱因斯坦结合普朗克的量子理论和玻尔兹曼统计，提出了受激辐射的概念，阐明了激光最核心也最基本的原理。早在 1954 年，世界上第一台微波量子放大器就被研制成功，并获得了高度相干的微波束。1958 年肖洛和汤斯率先将微波谐振腔的量子放大器原理，推广应用到光频范围内。仅仅两年之后，梅曼等人便研制成功了世界上第一台红宝石激光器[1]。激光，也和原子能、计算机、半导体并称为人类二十世纪四大发明[2]。此后，各种类型的激光器如雨后春笋般被研制成功，除传统气体、固体、半导体等激光器外，激光体系内还发展了自由电子、准分子、光纤波导激光器等新型激光器。
与微波束不同，激光光子天然具有高度的简并性，并具有一些显著的优点，例如高强度，良好的方向性，良好的单色性和良好的相干性，因此具有极高的应用价值。故而人们从激光诞生之初开始，极大的研究兴趣从未断绝。自从上世界六十年以来，在短短半个世纪中，激光已经发展成为一个庞大的系列，各种各样的激光器在工业、医疗、商业、科学研究、信息和军事领域大大推动了技术发展。
二十世纪的 70 年代和 80 年代，固体激光器发展有了巨大的发展阶跃。由于半导体材料科学和半导体激光技术在此期间的突破，人们可以使用新型激光二极管（LD）作为固体激光器的泵浦源。由于激光二极管具有体积小、工作运行稳定、使用寿命长、电光转换效率高等优点，所以 LD 开始逐渐取代旧式气体放电灯的地位。正是因为 LD成为固体激光器的最主要最可靠的泵浦源，二极管泵浦固体激光器（Diode Pump Solid State Laser，简称 DPSSL）的发展才成为了可能。伴随着与 DPSSL 相关的各种技术持续革新，固体激光器渐渐拓展应用于激光加工产业，典型的功能应用如激光切割，激光焊接等，激光具有比传统切割和焊接设备有着更独特的优势。目前，国内外的激光加工行业仍处于快速发展阶段，但是高光束质量、高功率的激光器生产市场依然被德国通快(TRUMPF)公司、美国相干（Coherent）公司、德国 Rofin（现已被相干公司收购）、德国 edgewave 公司、美国 IPG 公司等外国企业牢牢垄断[6]。在这种市场背景下，国内的激光加工和应用设备成本长期居高不下，国内产业难以快速崛起。激光加工行业中，固体激光器是不可或缺的重要部分，因此研究和开发高效率、高光束质量、高稳定性的固体激光器是国内行业发展的必由之路，且必定有着广阔的市场前景。
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1.2 二极管泵浦固体激光器简介
1.2.1 DPSSL 发展简介
DPSSL，即二极管泵浦固体激光器，近年来是世界上发展最快而又应用广泛的激光器[7]。关键是它使用新型的激光二极管代替传统的氪灯或者氙灯，来泵浦激光器中的工作介质，从而在固体激光器的领域取得了全新的发展，也因此被称为第二代激光器。
很显然，DPSSL 的发展与激光二极管即半导体激光器的发展紧密相连。1963 年，也即是世界上第一只半导体激光器诞生的次年，美国的纽曼首次提出了可以用半导体激光器来泵浦固体激光器中工作介质的设想。不过，由于早期的技术条件限制，早期的 LD 只能输出少数几种波长，并不能良好地匹配各种激光工作介质的吸收峰，而激光二极管的各项性能都比较差，阈值电流较高、输出功率小、发散角大，单色性也不好，因此 LD 想要作为固体激光器的泵浦源尚不具备明显的优势。
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2 侧面泵浦板条激光器的结构
2.1 增益介质选型
高功率固体激光器输出功率一般为百瓦级，增益介质是激光器的核心部件。固体激光器通常都采用光泵浦，因此作为增益介质材料的对泵浦光波长需有很强的吸收带，并且相应的荧光跃迁有较高的量子效率，否则大量的泵浦光能量将被浪费且加重晶体的热效应。由于板条激光器的晶体几何形状结构特殊，所以很难使泵浦光像圆棒状晶体一样均匀分布到整个晶体上，因此在同等条件下，板条激光器的泵浦效率通常会低于圆棒激光器。故而，本研究计划选用与圆棒几何体积近似的板条晶体，作为激光器的增益介质。
对比以上各晶体的特性，以及对激光加工行业发展应用的调研，针对本论文研究对象的激光工作介质选用 Nd:YAG 晶体。此外，掺杂浓度对晶体的性质有着显著的影响：在较低掺杂浓度时，晶体的吸收率会随着掺杂浓度的增加而增加，因此激光器的效率也会随之提升；由于晶体中的激活离子的大小不同于被置换的离子，所以当掺杂浓度过高时，大量的掺杂离子取代原来晶体的离子，这可能会导致晶格畸变，从而晶体质量劣化，激光器的阈值大幅提高，激光输出则大幅下降甚至截止。并且，掺杂离子浓度过高会产生大量不必要的无辐射跃迁，这无疑又将强化晶体的热效应[36]。实际经常被使用的 Nd:YAG 晶体，YAG 的掺杂浓度的原子数百分含量应限制在 1.5at%以内。本论文最终选用的激光增益介质是 Nd:YAG，晶体掺杂浓度为 1at%。
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2.2 泵浦模块和冷却系统
LD 泵浦相比于传统灯泵浦的发射谱，因为前者与晶体吸收谱匹配度更高，无法被吸收而变成废热能量分布更少，因此能有效减小晶体的热效应[40]，不过热效应依然无法彻底消除，这是因为如下原因：
（1）激光介质中粒子，吸收光子能量后由其泵浦带向上能级跃迁，能量会以无辐射跃迁的形式转移至晶格之内，也即是量子亏损形成废热。
（2）由于 Nd:YAG 是四能级系统，所以当下能级粒子以无辐射跃迁回到基态时，电功率的两倍，最终选择深圳市科力达 KLD-LC27 激光冷水机，制冷量 2700W，满足冷却需要。
激光谐振腔最早是由微波领域推广而来，光学谐振腔类似微波放大谐振腔的作用，是激光器的重要组成部分之一。其意义在于提供光学正反馈，为腔内产生和维持激光振荡提供光学环境。谐振腔的腔型与结构参数会直接影响激光器的输出模式、功率、光斑大小、光束质量、谐振频率等等一系列性能参数。对于 DPSSL 而言，由于光泵浦和晶体的热效应会改变谐振腔的结构，并且由于晶体几何结构特殊，水平方向和竖直方向热效应并不相同，因此需要将晶体水平方向和竖直方向热效应等效为光学透镜[42]，分别加以考虑。考虑热效应并据此合理选择谐振腔的结构参数是设计 DPSSL 较为关键的问题。
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3 谐振腔参数优化设计..............22
3.2 基模光斑半径计算 .........................22
4 谐振腔优化的实验研究.............26
4.1 实验设备 ....................................26
4.2 实验结果分析 ........................29
5 总结与展望...............36
5.1 总结 ............................36
5.2 展望 ......................................36
4 谐振腔优化的实验研究
4.1 实验设备
（1） 选择 Nd:YAG 晶体作为激光的增益介质，尺寸为 3mm×5mm×130mm，掺杂浓度 1at%，长板条的两个端面通光，镀 1064nm 波长的增透膜。
（2） 泵浦模块选用北京海特光电公司 DPL 泵浦模块系列-300WDPL 模块，外形如图 4-1 所示：
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5 总结与展望
5.1 总结
本论文对 LD 侧面泵浦板条激光器进行了结构设计、理论计算和实验研究。主要工作如下：
（1）提出了扩大单侧基模尺寸扩大以优化板条激光器输出光束质量的方案。
（2）对比研究了常用不同晶体的特性和应用场景，选择更适合高功率输出的Nd:YAG 晶体，板条激光器的特性选择了合适的泵浦模块，改装设计端面密封。
（3）阐述了板条晶体热效应产生的主要原因及其影响。并建立了热透镜等效模型，设计了热透镜焦距侧测量方案并进行实验测量。
（4）对平平腔和平凹腔进行了对比理论仿真和实验研究，验证了通过扩大单侧基模尺寸以优化光束质量的可行性。
（5）对光斑的定义进行分析，采用了荧光拍摄的研究办法，以灰度做为光强的参考并进行图像处理。
实验研究表明，当输入半导体泵浦阵列的电流为 20A 时，电功率为 1010W，平平腔输出功率为 101.2W；由泵浦电功率和输出光功率曲线线性拟合，得到电光斜率效率为 25.4%。测量输出镜后不同位置的光斑尺寸，计算得水平方向和竖直方向 M2因子分别为 115.6 和 116.4。同样 20A 泵浦电流输入，泵浦电功率 1048W，平凹腔输出功率为59.9W。由泵浦电功率和输出光功率曲线线性拟合，得到电光斜率效率为 26.6%。测量输出镜后不同位置的光斑尺寸，计算得水平方向和竖直方向M2因子分别为32.9和60.9。
参考文献（略）