OPSL优势 2：恒定光束属性综述

 

　　光泵半导体激光器 (OPSL) 是一项独有的技术，它结合了激光二极管、DPSS(半导体泵浦固态)激光器和离子激光器的优异属性，同时消除了它们的许多限制。 它们的主要优势之一是可以大范围 (10-100%) 自由调整输出功率，而不会影响重要的输出光束参数，包括光束发散度、光束形状和光束指向。

　　独立功率调节的优势

　　通常来说，改变激光输出功率或以低于其最大功率运行激光的能力非常重要。 在许多情况下，使用“电源旋钮”对于优化工艺或实验至关重要，例如防止检测器饱和或样品损坏。 通常，还应该以较低的功率执行系统校准和测试 — 以最大限度地降低损坏风险并保障操作人员眼睛的安全。 此外，STED 一类的超分辨显微技术需要精细的功率调整来优化纳米级分辨率。 因此，为了使用方便和设置简单，平滑降低输出功率的选项比采用某种类型的衰减器更为可取。

　　遗憾的是，在大多数其他固态激光器中，将功率降至低于制造商指定的理想值也会损害光束属性： 特别是光束发散度，以及光束直径、模式质量和光束指向。 造成这类问题的原因是一种称为热透镜的现象，这种现象在基于 Nd:YVO 等松散材料的固态激光器中很常见4.

　　热透镜问题

　　在对激光增益晶体或玻璃进行光泵浦时，一些泵浦功率会不可避免地转化为热量。 此外，激光束的自重吸收会加热晶体的有效体积。 为了稳定性能并避免损坏，需要以某种方式冷却增益晶体。 可以采用的冷却形式有被动散热器、水冷、热电 (TE) 冷却甚至低温冷却。 不管是哪种冷却类型，都是通过一个或多个晶体表面去除热量。 在稳态操作下，这会在增益晶体中建立热梯度。

　　图 1：在基于块状晶体光泵浦的激光器中，泵浦光会导致无用的径向热梯度，并且通常还会产生纵向热梯度，从而导致很强的热透镜效应，且其透镜功率随泵浦功率的变化而变化。

　　这种热梯度会造成两种后果。 首先，折射率会随着激光介质中的温度分布而变化。 此外，晶体在加热过程中膨胀，导致其光学表面曲率变化。 在使用端面泵浦圆柱形激光棒的最简单情况下，这些效应就会导致形成一个球面透镜，其功率与晶体的长度和泵浦功率成正比。 此外，透镜功率还可能受到任何纵向热梯度的影响，特别是当增益晶体只从一端泵浦时。

　　要想优化高质量高斯光束轮廓 (TEM00) 中的输出功率，就需要精心设计谐振器，包括尽可能实现激光模式与泵浦体积的理想空间匹配。 由于这些“热透镜”效应，操作过程中光学表面曲率或(等效)折射率空间梯度的任何变化都将导致模式质量或效率无法达到理想水平。 当然，这种热透镜的度数取决于施加给激光介质的泵浦功率。

　　在固态激光器中，热透镜将改变输出光束的发散度和直径。 有些高性能激光器，例如相干公司的 AVIA™ 系列工业 DPSS 激光器，具备一种名为 ThermaTrak™ 的反馈功能。此功能可以在调整功率时移动一个电动腔内透镜，从而解决这个问题。 相反，在性能较低的 DPSS 激光器中，热透镜不受控制，因此泵浦功率改变时会发生变化，将导致光束参数变化，效率降低，以及可用功率范围受限。 由于大多数商用 DPSS 激光器不包含可变补偿功能，因此它们的输出光束参数只能在指定的输出功率下得到保证。

　　OPSL – 薄增益芯片 – 无热透镜

　　在 OPSL 中，增益介质是一个非常薄 (< 10 μm) 的半导体量子阱盘，覆盖在作为后表面全反射镜的电介质层上。 后表面又与一个主动冷却的散热器结合在一起，有效地冷却半导体结构。 尽管激光操作仍会产生径向热梯度，但由于整个结构非常薄，因此热透镜可以忽略不计;事实上，增益材料中的路径长度大约只是典型 DPSS 的千分之一。

　　为了证实可忽略不计的热透镜假设，相干公司的工程师进行了一系列测试，以监测 OPSL 增益芯片的光学属性。在测试中，他们故意制造了一个热梯度并采用干涉法对其进行测量。 此外，测试梯度设计为明显大于正常激光操作下可能产生的任何梯度，即使是在 OPSL 全功率输出的情况下其梯度也无法超过测试梯度。

　　图 2 显示了这些测试中使用的装置。 其中，一台 OPSL 激光器腔体进行了修改，增加了楔形分光器，这样测试光束就能够探测 OPSL 芯片，因为它同时被不同量的泵浦功率照射。 具体来说，980 nm 的相干单模激光束由第一个分光器分割，这样其部分强度从 OPSL 芯片上反射出来，部分从超平考面镜上反射出来。 第二个分光器在一个名为马赫-曾德干涉仪的配置中重新组合这些反射光束。 然后，重组的光束被扩大，并通过一个 CCD 相机进行观察。

　　如果 OPSL 芯片保持平坦，没有热透镜，那么相机上的图像在其轮廓范围内都是均匀的。 相反，任何热透镜都将显示为亮暗交替的干涉条纹，其间距可定量测量任何透镜或其他光束扭曲的程度。 通过用加热镜代替 OPSL 增益芯片对这个测试装置进行仔细评估，证明在 980 nm 的测试波长下，可以分辨出最小 λ/50 的波长失真。

　　图 2：OPSL 增益芯片的光学性能是通过将其纳入基于高相干单频 980 nm 测试激光器的马赫-曾恩干涉仪进行测试的。

　　在测试中，OPSL 中的泵浦激光聚焦到一个直径只有 420 μm 的光斑上。 该泵浦激光器的功率在零到 9 瓦之间变化。 即使在这种极端热负荷下，总波前失真也几乎检测不到，约为 λ/40。

　　实际激光性能数据

　　当然，在实际操作中，真正的激光性能才是最重要的。 为了充分利用这种没有热透镜的情况，就需要一个坚固的整体式腔体设计，其中所有其他光学器件或光力学器件对泵浦功率的变化均不敏感。 当热透镜现象发生时，输出光束在光束发散和光束直径方面的变化明显。 这些也是高要求应用的关键参数，如基于激光的成像和泵浦钛蓝宝石激光器。

　　图 3：在 Verdi 系列 OPSL 中，输出功率改变超过一个数量级，不会导致输出光束发散发生有意义的变化。

　　相干公司的工程师进行了一系列全面的实验，直接寻找这些参数的变化，将其当作输出功率的一个函数。 具体来说，一台 8 瓦 Verdi G 激光器的 532 nm 输出在一个数量级的范围内逐步变化，从几百毫瓦到 8 瓦。 即使在这种巨大的输出功率变化过程中，光束直径和光束发散都非常恒定，并保持在规格范围内，如图 3 和图 4 中的典型数据集所示。

　　图 4：在 Verdi 系列 OPSL 中，输出功率改变超过一个数量级，不会导致输出光束直径发生有意义的变化。

　　总结

　　连续可见光和近红外激光源的主要技术选择包括 DPSS 激光器和 OPSL。 OPSL 提供了几个独特的优势，其中之一就是，即使泵浦(和输出)功率变化超过一个数量级，光束参数也是不变的。 与其他固态激光器相比，这一优势使系统设置更简单，日常操作更方便，最终提供更好的性价比。

审核编辑 黄宇