光泵半導(dǎo)體激光器 (OPSL) 是一項(xiàng)獨(dú)有的技術(shù)，它結(jié)合了激光二極管、DPSS(半導(dǎo)體泵浦固態(tài))激光器和離子激光器的優(yōu)異屬性，同時(shí)消除了它們的許多限制。 它們的主要優(yōu)勢之一是可以大范圍 (10-100%) 自由調(diào)整輸出功率，而不會影響重要的輸出光束參數(shù)，包括光束發(fā)散度、光束形狀和光束指向。

獨(dú)立功率調(diào)節(jié)的優(yōu)勢

通常來說，改變激光輸出功率或以低于其最大功率運(yùn)行激光的能力非常重要。 在許多情況下，使用“電源旋鈕”對于優(yōu)化工藝或?qū)嶒?yàn)至關(guān)重要，例如防止檢測器飽和或樣品損壞。 通常，還應(yīng)該以較低的功率執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)和測試 — 以最大限度地降低損壞風(fēng)險(xiǎn)并保障操作人員眼睛的安全。 此外，STED 一類的超分辨顯微技術(shù)需要精細(xì)的功率調(diào)整來優(yōu)化納米級分辨率。 因此，為了使用方便和設(shè)置簡單，平滑降低輸出功率的選項(xiàng)比采用某種類型的衰減器更為可取。

遺憾的是，在大多數(shù)其他固態(tài)激光器中，將功率降至低于制造商指定的理想值也會損害光束屬性： 特別是光束發(fā)散度，以及光束直徑、模式質(zhì)量和光束指向。 造成這類問題的原因是一種稱為熱透鏡的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在基于 Nd:YVO 等松散材料的固態(tài)激光器中很常見4.

熱透鏡問題

在對激光增益晶體或玻璃進(jìn)行光泵浦時(shí)，一些泵浦功率會不可避免地轉(zhuǎn)化為熱量。 此外，激光束的自重吸收會加熱晶體的有效體積。 為了穩(wěn)定性能并避免損壞，需要以某種方式冷卻增益晶體。 可以采用的冷卻形式有被動散熱器、水冷、熱電 (TE) 冷卻甚至低溫冷卻。 不管是哪種冷卻類型，都是通過一個(gè)或多個(gè)晶體表面去除熱量。 在穩(wěn)態(tài)操作下，這會在增益晶體中建立熱梯度。

圖 1：在基于塊狀晶體光泵浦的激光器中，泵浦光會導(dǎo)致無用的徑向熱梯度，并且通常還會產(chǎn)生縱向熱梯度，從而導(dǎo)致很強(qiáng)的熱透鏡效應(yīng)，且其透鏡功率隨泵浦功率的變化而變化。

這種熱梯度會造成兩種后果。 首先，折射率會隨著激光介質(zhì)中的溫度分布而變化。 此外，晶體在加熱過程中膨脹，導(dǎo)致其光學(xué)表面曲率變化。 在使用端面泵浦圓柱形激光棒的最簡單情況下，這些效應(yīng)就會導(dǎo)致形成一個(gè)球面透鏡，其功率與晶體的長度和泵浦功率成正比。 此外，透鏡功率還可能受到任何縱向熱梯度的影響，特別是當(dāng)增益晶體只從一端泵浦時(shí)。

要想優(yōu)化高質(zhì)量高斯光束輪廓 (TEM00) 中的輸出功率，就需要精心設(shè)計(jì)諧振器，包括盡可能實(shí)現(xiàn)激光模式與泵浦體積的理想空間匹配。 由于這些“熱透鏡”效應(yīng)，操作過程中光學(xué)表面曲率或(等效)折射率空間梯度的任何變化都將導(dǎo)致模式質(zhì)量或效率無法達(dá)到理想水平。 當(dāng)然，這種熱透鏡的度數(shù)取決于施加給激光介質(zhì)的泵浦功率。

在固態(tài)激光器中，熱透鏡將改變輸出光束的發(fā)散度和直徑。 有些高性能激光器，例如相干公司的 AVIA? 系列工業(yè) DPSS 激光器，具備一種名為 ThermaTrak? 的反饋功能。此功能可以在調(diào)整功率時(shí)移動一個(gè)電動腔內(nèi)透鏡，從而解決這個(gè)問題。 相反，在性能較低的 DPSS 激光器中，熱透鏡不受控制，因此泵浦功率改變時(shí)會發(fā)生變化，將導(dǎo)致光束參數(shù)變化，效率降低，以及可用功率范圍受限。 由于大多數(shù)商用 DPSS 激光器不包含可變補(bǔ)償功能，因此它們的輸出光束參數(shù)只能在指定的輸出功率下得到保證。

OPSL – 薄增益芯片 – 無熱透鏡

在 OPSL 中，增益介質(zhì)是一個(gè)非常薄 (< 10 μm) 的半導(dǎo)體量子阱盤，覆蓋在作為后表面全反射鏡的電介質(zhì)層上。 后表面又與一個(gè)主動冷卻的散熱器結(jié)合在一起，有效地冷卻半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 盡管激光操作仍會產(chǎn)生徑向熱梯度，但由于整個(gè)結(jié)構(gòu)非常薄，因此熱透鏡可以忽略不計(jì);事實(shí)上，增益材料中的路徑長度大約只是典型 DPSS 的千分之一。

為了證實(shí)可忽略不計(jì)的熱透鏡假設(shè)，相干公司的工程師進(jìn)行了一系列測試，以監(jiān)測 OPSL 增益芯片的光學(xué)屬性。在測試中，他們故意制造了一個(gè)熱梯度并采用干涉法對其進(jìn)行測量。 此外，測試梯度設(shè)計(jì)為明顯大于正常激光操作下可能產(chǎn)生的任何梯度，即使是在 OPSL 全功率輸出的情況下其梯度也無法超過測試梯度。

圖 2 顯示了這些測試中使用的裝置。 其中，一臺 OPSL 激光器腔體進(jìn)行了修改，增加了楔形分光器，這樣測試光束就能夠探測 OPSL 芯片，因?yàn)樗瑫r(shí)被不同量的泵浦功率照射。 具體來說，980 nm 的相干單模激光束由第一個(gè)分光器分割，這樣其部分強(qiáng)度從 OPSL 芯片上反射出來，部分從超平考面鏡上反射出來。 第二個(gè)分光器在一個(gè)名為馬赫-曾德干涉儀的配置中重新組合這些反射光束。 然后，重組的光束被擴(kuò)大，并通過一個(gè) CCD 相機(jī)進(jìn)行觀察。

如果 OPSL 芯片保持平坦，沒有熱透鏡，那么相機(jī)上的圖像在其輪廓范圍內(nèi)都是均勻的。 相反，任何熱透鏡都將顯示為亮暗交替的干涉條紋，其間距可定量測量任何透鏡或其他光束扭曲的程度。 通過用加熱鏡代替 OPSL 增益芯片對這個(gè)測試裝置進(jìn)行仔細(xì)評估，證明在 980 nm 的測試波長下，可以分辨出最小 λ/50 的波長失真。

圖 2：OPSL 增益芯片的光學(xué)性能是通過將其納入基于高相干單頻 980 nm 測試激光器的馬赫-曾恩干涉儀進(jìn)行測試的。

在測試中，OPSL 中的泵浦激光聚焦到一個(gè)直徑只有 420 μm 的光斑上。 該泵浦激光器的功率在零到 9 瓦之間變化。 即使在這種極端熱負(fù)荷下，總波前失真也幾乎檢測不到，約為 λ/40。

實(shí)際激光性能數(shù)據(jù)

當(dāng)然，在實(shí)際操作中，真正的激光性能才是最重要的。 為了充分利用這種沒有熱透鏡的情況，就需要一個(gè)堅(jiān)固的整體式腔體設(shè)計(jì)，其中所有其他光學(xué)器件或光力學(xué)器件對泵浦功率的變化均不敏感。 當(dāng)熱透鏡現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，輸出光束在光束發(fā)散和光束直徑方面的變化明顯。 這些也是高要求應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)，如基于激光的成像和泵浦鈦藍(lán)寶石激光器。

圖 3：在 Verdi 系列 OPSL 中，輸出功率改變超過一個(gè)數(shù)量級，不會導(dǎo)致輸出光束發(fā)散發(fā)生有意義的變化。

相干公司的工程師進(jìn)行了一系列全面的實(shí)驗(yàn)，直接尋找這些參數(shù)的變化，將其當(dāng)作輸出功率的一個(gè)函數(shù)。 具體來說，一臺 8 瓦 Verdi G 激光器的 532 nm 輸出在一個(gè)數(shù)量級的范圍內(nèi)逐步變化，從幾百毫瓦到 8 瓦。 即使在這種巨大的輸出功率變化過程中，光束直徑和光束發(fā)散都非常恒定，并保持在規(guī)格范圍內(nèi)，如圖 3 和圖 4 中的典型數(shù)據(jù)集所示。

圖 4：在 Verdi 系列 OPSL 中，輸出功率改變超過一個(gè)數(shù)量級，不會導(dǎo)致輸出光束直徑發(fā)生有意義的變化。

總結(jié)

連續(xù)可見光和近紅外激光源的主要技術(shù)選擇包括 DPSS 激光器和 OPSL。 OPSL 提供了幾個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢，其中之一就是，即使泵浦(和輸出)功率變化超過一個(gè)數(shù)量級，光束參數(shù)也是不變的。 與其他固態(tài)激光器相比，這一優(yōu)勢使系統(tǒng)設(shè)置更簡單，日常操作更方便，最終提供更好的性價(jià)比。

審核編輯 黃宇