摘要：介紹了薄片式固體(ti) 激光器的原理，Yb:YAG晶體(ti) 的特性及其與(yu) 傳(chuan) 統棒狀Nd:YAG晶體(ti) 固體(ti) 激光器的對比，VersaDisk固體(ti) 激光器作為(wei) 一個(ge) 光學平台所具有的強大功能及給用戶所帶來的方便靈活和擴展空間，最後介紹了該激光器在科研領域的應用。

    　　薄片式半導體(ti) 泵浦固體(ti) 激光器被認為(wei) 是近期來激光技術最著名的進展之一。它基於(yu) 一種革命性的固體(ti) 激光器設計理念，最近幾年中已經成為(wei) 科研及工業(ye) 加工的得力助手，最近幾年更是進入了批量化生產(chan) 階段。薄片式固體(ti) 激光器可以輸出很高的功率（連續或脈衝(chong) ），同時擁有非常好的光束質量。h

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　    　Yb:YAG激光晶體(ti) 作為(wei) 特殊的激光工作物質，它不僅(jin) 具有YAG激光基質材料本身優(you) 良的物理性質和穩定的化學性能，而且具有很好的激光工作性能。激光波長為(wei) 1030nm，峰值吸收波長在940nm附近，吸收帶寬很寬（18nm@940nm），熒光壽命長(0.95ms)，量子效率高（91%），在相同的半導體(ti) 泵浦功率下，Yb:YAG泵浦生熱為(wei) Nd:YAG的1／3。能夠很容易的被可靠的InGaAs半導體(ti) 激光器所泵浦，是一種新型的、適合LD泵浦的高平均功率和高光束質量的發射1um左右波長的激光材料。另外，由於(yu) 其二倍頻是515nm，接近Ar離子激光器的波長514.5nm，從(cong) 而使其有可能替換用戶現存的大量氬離子激光器，因此在激光領域內(nei) 受到越來越多的關(guan) 注。

　　    由德國斯圖加特大學的Adolf Giesen博士及其研究小組發明的薄片式固體(ti) 激光器技術，其性能遠遠超過采用傳(chuan) 統棒狀晶體(ti) 設計的Nd:YAG固體(ti) 激光器。由於(yu) 該項專(zhuan) 利是由德國政府資助的，所以隻能許可給德國的激光公司。這也是目前隻有德國的激光公司能夠生產(chan) 薄片式固體(ti) 激光器的原因。德國ELS公司是最早的也是世界上唯一生產(chan) 高功率薄片式單頻連續固體(ti) 激光器的廠商，所生產(chan) 的VersaDisk激光器獲得Photonics Excellence Award 2003大獎，是當年世界上唯一獲此殊榮的固體(ti) 激光器。因此VersaDisk正在被越來越多的科研用戶所接受，而這一切都得益於(yu) 其獨特的設計理念和與(yu) 眾(zhong) 不同的性能。而且VersaDisk515進一步拓展了高功率固體(ti) 綠光激光器的應用領域，打破了該市場過去一直被美國的激光公司所占領的局麵。

1． 原理

　　    薄片式激光器的稱謂來源是因為(wei) 它的晶體(ti) 形狀為(wei) 薄片式，厚度通常為(wei) 200微米，直徑為(wei) 10mm。由半導體(ti) 激光器從(cong) 晶體(ti) 的前表麵進行泵浦，近似於(yu) 常用的端泵技術。薄片晶體(ti) 整個(ge) 粘接在熱沉上，所以晶體(ti) 的冷卻效率非常高（圖1）。由於(yu) 晶體(ti) 的厚度很薄，所以每次半導體(ti) 激光器的泵浦光穿過激光晶體(ti) 時隻有一部分泵浦光被其吸收，為(wei) 了提高它的泵浦效率，在其前部放置一塊拋物麵鏡，使未被吸收的泵浦光多次通過晶體(ti) 來提高泵浦效率，一般的次數為(wei) 32次，從(cong) 而產(chan) 生很強的激光輻射。

　　　　圖1 薄片式激光器原理圖 　　　　　　　圖2 薄片式Yb:YAG激光器與(yu) 傳(chuan) 統YAG激光器的對比

2．與(yu) 傳(chuan) 統棒狀Nd:YAG固體(ti) 激光器的對比：

　　    Yb:YAG作為(wei) 準三能級結構的晶體(ti) ，比傳(chuan) 統的Nd:YAG晶體(ti) 更適合用半導體(ti) 激光器泵浦，與(yu) Nd:YAG晶體(ti) 相比它的優(you) 點如下：

· 具有較低的量子損耗，熱承載小（91％量子效率），熱透鏡效應非常小，幾乎可以忽略不計。
· 具有很寬的吸收帶寬（18nm），因此對泵浦LD的控溫精度要求低。
· 上能級熒光壽命長（1ms），有利於(yu) 儲(chu) 能。
· 發射線寬較寬，可以實現調諧輸出。
· 激光發射截麵較小（有利於(yu) 高能量存儲(chu) ）。

　　    Yb:YAG晶體(ti) 的熱傳(chuan) 導和溫度梯度主要沿著軸向，從(cong) 而使晶體(ti) 的溫度分布非常均勻，波前形變非常小。這種先進的諧振腔設計使得熱量從(cong) Yb:YAG晶體(ti) 傳(chuan) 導到熱沉的效率非常高，熱傳(chuan) 導的方向與(yu) 激光光束傳(chuan) 播的方向平行（即軸向），因此徑向溫度梯度非常小，從(cong) 而避免了傳(chuan) 統棒狀晶體(ti) 激光器的固有限製，如高功率下的熱透鏡效應、激光晶體(ti) 的變形、雙折射效應等。因此，薄片式固體(ti) 激光器可以很容易獲得非常高的輸出功率（最大100W）而不影響它卓越的光學性能，一般都具有近高斯分布的高功率激光束（M2<1.1）。這是它與(yu) 傳(chuan) 統棒狀Nd:YAG固體(ti) 激光器的最大區別，因為(wei) 傳(chuan) 統棒狀Nd:YAG固體(ti) 激光器或者具有高功率，或者具有好的光束質量，但不能同時擁有。

3．功能強大的光學平台：
　　    德國ELS公司的VersaDisk不僅(jin) 僅(jin) 是一台激光器，它實際上是一個(ge) 功能強大的光學平台。模塊化的設計為(wei) 您帶來靈活的配置和強大的擴展性（圖 3），用戶可以根據自己的研究工作選擇最合適的配置，或者選擇一個(ge) 通用的配置以滿足大多數常見的應用。VersaDisk腔型結構的自由度非常高，用戶可以隻購買(mai) 一台激光器而得到紅外（基頻）、綠光（倍頻）或雙波長（紅外和綠光）同時輸出，也可以在腔內(nei) 插入標準具、布儒斯特窗片、雙折射濾光片來實現單頻、線偏振、波長可調諧等多項傳(chuan) 統棒狀固體(ti) 激光器實現不了的功能。

	圖3 VersaDisk-515/1030激光器外型圖
圖4 VersaDisk-1030的腔型設計	圖5 VersaDisk-515的環行腔設計

VersaDisk-1030——高功率單頻紅外激光器（圖4）：

    VersaDisk-1030可以在1030nm處輸出最大100W功率（5/10/20/30/50//75/100W），並保證輸出模式為(wei) TEM00 模。在腔內(nei) 插入標準具就可以選擇一個(ge) 縱模，從(cong) 而實現單頻輸出（線寬<5MHz，最大輸出功率可達50W）。窄線寬和高功率可以使 VersaDisk-1030很方便地實現頻率轉換（倍頻或泵浦OPO）。#p#分頁標題#e#

VersaDisk-515——高功率單頻綠光激光器（圖5）:

    VersaDisk-515采用環行腔設計，並選擇非臨(lin) 界相位匹配的LBO晶體(ti) 作為(wei) 倍頻晶體(ti) ，可以在515nm處實現最大15W的單頻輸出功率（2.5W/5W/10W/15W，線寬<5MHz）。薄片技術與(yu) 環行腔設計的結合給VersaDisk-515帶來了優(you) 秀的性能，如指向穩定性好、單頻輸出等。

·可實現雙波長同時輸出（圖5）：

    把VersaDisk-515環行腔中的一塊折疊腔鏡換成可透過1030nm的腔鏡，就可同時獲得515nm和1030nm的輸出；通過改變該鏡片對 1030nm的透過率，還可以調節515nm和1030nm的輸出功率。

·波長可調（圖6）:

    因為(wei) Yb:YAG晶體(ti) 可以在1000到1060nm範圍內(nei) 產(chan) 生激光輻射，因此在VersaDisk-1030的腔內(nei) 放置一塊雙折射濾光片它就可以在這個(ge) 波長範圍內(nei) 調諧（對於(yu) VersaDisk-515來說，調諧範圍從(cong) 514nm到517nm）。這個(ge) 選項可以和單頻輸出共同選擇。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6 Yb:YAG激光器波長調諧圖

·可替代氬離子激光器：

    氬離子激光器由於(yu) 非常耗水耗電正在逐漸被固體(ti) 激光器代替，但傳(chuan) 統的棒狀固體(ti) 激光器的波長（532nm）又不太合適，這時VersaDisk- 515（515nm）就是最合適的選擇，因為(wei) 它可以非常精確地把輸出波長鎖定在514.5nm，從(cong) 而替代氬離子激光器，而且各項參數都要優(you) 於(yu) 氬離子激光器。

·調Q型：雖然VersaDisk非常適合於(yu) 連續工作，但在一些應用諸如泵浦中紅外（2-5μm）調Q型OPO時，調Q型VersaDisk就顯得非常合適。通過在VersaDisk-1030諧振腔中加入調Q元件就可以實現重複頻率1k-15kHz，脈衝(chong) 寬度500ns的調Q型VersaDisk- 1030Q。

·鎖模型：應用可飽和吸收鏡（SESAM）技術，VersaDisk-1030還可以改製成鎖模型固體(ti) 激光器，波長1030nm，重複頻率100MHz，脈寬500fs，峰值功率可達25MW。該鎖模激光器還有二倍頻（綠光）和三倍頻（UV）選項。

    　　總之，VersaDisk除了具有高功率和優(you) 秀的光束模式外，而且還是一個(ge) 功能強大的光學平台，可以滿足大多數科研領域的應用。

4．應用

（1）VersaDisk-1030的應用

· 中紅外高分辨率光譜（與(yu) 2-5um OPO一起使用）：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7 SpectroStar係統配置圖

　    　VersaDisk-1030可以用來泵浦高功率單頻中紅外（2-5μm）OPO（ SpectroStar），從(cong) 而填補了世界上在該譜段沒有高功率單頻光源的曆史，為(wei) 從(cong) 事高分辨率中紅外光譜的科研人員提供了有力的科研工具。由於(yu) VersaDisk-1030的波長可以在1000nm-1060nm之間調諧，而且可以同時保證高輸出功率和窄線寬，因此可以通過隻調節 VersaDisk-1030的波長來調節OPO的波長（2-5μm），OPO的最大輸出功率達3W（3W@2954nm，用 VersaDisk1030-20 SF泵浦）。

· 玻色-愛因斯坦凝聚和光鑷：

　　    在玻色-愛因斯坦凝聚實驗中，VersaDisk-1030可以用來建立激光俘獲；而在光鑷應用中，VersaDisk-1030可以用來輸運原子和分子。

· 材料微加工：

　　    由於(yu) VersaDisk-1030同時擁有高功率（最大達100W）和優(you) 秀的光束質量（TEM00，線偏振），使得它在印刷工業(ye) 中可以對清篩輥進行精確的雕刻，而且打出的孔比其它激光器要深而且幹淨。

（2）VersaDisk-515的應用

· 高功率Ti:Sa激光器和染料激光器的泵浦源：

　　    由於(yu) Ti:Sa晶體(ti) 在515nm處的吸收係數要高於(yu) 其在532nm處的吸收係數（圖8，吸收效率要高18%），所以VersaDisk-515是泵浦 Ti:Sa激光器的理想泵浦源。

　　    此外，由於(yu) 515nm的波長短於(yu) 532nm，所以VersaDisk-515可以更高效地用來泵浦染料激光器。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　圖8 鈦寶石的吸收和發射譜
 

· 全息、幹涉、光存儲(chu) 等其它需要激光器單頻特性的應用領域:

　　    由於(yu) VersaDisk-515的波長可以調諧並精確地固定在514.5nm，因此可以完全代替氬離子激光器用於(yu) 全息、幹涉、光存儲(chu) 和其他需要單頻輸出的應用領域，並可以解決(jue) 氬離子激光器耗水耗電的弊端。

· 絕對頻率穩定:

　　    在絕對頻率穩定應用中，VersaDisk-515可以與(yu) 外部標準頻率源（碘吸收池）鎖定在一起，使其線寬小於(yu) 1MHz，而絕對頻率由碘分子的特征譜線決(jue) 定（圖9）。

　　　　　　　　　　圖9 絕對頻率穩定實驗布局圖（還有其它3種實驗布局可供選擇）