DPSS Laser(Diode-pumped Solid-State Laser)

Diode-pumped Solid-State (DPSS) laser 是一種透過 pump 一固態增益材料的方式產生的固態雷射。例如,以紅寶石、釹雅鉻晶體作為增益材料,透過雷射二極體而成的 Ruby Laser(紅寶石雷射)、Nd-Yag Laser(釹雅鉻雷射)。

  

相較於其他類型的雷射,DPSS 雷射具有小巧及高轉換效率的優勢,且具有高功率的 DPSS 雷射,在許多科學應用的領域上,已經取代離子雷射、Flashlamp-pumped 雷射。目前簡報會議中常見的 laser pointer 亦是 DPSS 雷射的一種,這類雷射為綠色或其他顏色。

 

耦合(Coupling)

藉由調整 Laser Diode 的溫度,使雷射晶體在吸收係數與放射能量效率上達到理想的比例,並可測得此穩定參數下、雷射的波長。

高功率雷射只需使用單一的晶體,但很多 Laser Diode 被以類似串聯或並聯的方式排列著,這個方式可以達到晶體成像的透鏡效果。藉由實驗、調整的方式,決定 Laser Diode 之間最佳的黑暗區域,達到高亮度(意味著 - 更好的雷射能量分佈、更長的使用壽命)的目的。這還需要能夠精準控制溫度的散熱系統、提供穩定且精確的電流。大致上來說,可以由兩個步驟完成:

1. fast axis 由一預先校正準直過的柱狀微透鏡去調整其準直性。

2. 此時經由校準過、進入晶體中的光束,可由晶體縱向的前後兩端、或晶體橫向的三面以上的方向,將晶體激發出雷射。

經由上述兩個步驟,光束在穿過晶體陣列之後產生的雷射,可以被耦合進光纖(fiber)中,當然,這光纖事先被精準且正確地放置於光路中(在 Laser Diode 和後面的微透鏡之間)。

雷射耦合到光纖中、通過光纖後,在光纖的末端(遠離雷射的方向),形成一束 profile 為良好的圓形、無間隙、標準的雷射。

常見的 DPSS 雷射的流程


最常見的 DPSS 雷射是波長為 532nm 的 Green 雷射。由功率大於 200mW、波長為 808nm 的高能 Laser Diode 去激發 Nd:Yag 或 Nd:YVO4 晶體,進而由上述晶體產生出波長為 1064nm 的雷射光束。接下來,1064nm 的雷射光束,通過 KTP 晶體(非線性的光學轉換過程),倍頻成為 532nm 的雷射。

Green DPSS 雷射的轉換效率大約為 20%,有些雷射的轉換效率可高達 35%。也就是說,若以 2.5W 的 Laser Diode 能量去 pump KTP 倍頻器,理想上,我們預期能產生出 500~900 mW 、波長為 532nm 雷射。

在理想情況下,Nd:YVO4 的轉換效率為 60%,同時 KTP 的轉換效率為 80%。也就是說,理論上,Green DPSS Laser 的整體轉換效率為 48%。
實際上,在輸出功率相當高的情況下,倍頻晶體相當容易受損。因此,高功率 DPSS Laser 通常設計成具有較大的光束直徑,讓光束在到達 KTP 之前擴散開來,減少 IR 對於晶體的損傷。若是希望維持光束直徑較小的特性,可採用如 LBO 這種損傷閥值較高(需要 IR 的能量較高時才會受損)的晶體取代。

藍光 DPSS Laser 的產生流程幾乎與上述相同,入射的(波長為) 808nm 的光束被 Nd:YAG 晶體轉換為波長為 946nm 的雷射(此 Nd:YAG 晶體與前述晶體特性不同),然後 946nm 雷射再被倍頻器(此時倍頻器改為 BBO 或 LBO)倍頻為波長 473nm 的雷射。由於增益材料的低增益特性,藍光雷射的能量相對較低,整體轉換效率只有 3~5% 而已。在 2000 年代後期,研究者發現 BiBO 晶體的轉換效率比 BBO 或 LBO 的效率還高,而且沒有後者容易受潮的缺點。

波長為 404nm 的紫光 DPSS Laser則可直接被產生出來,以 1000mW 的 808nm 去 pump,可產生 120mW 的紫光雷射出來(轉換效率為 12%)。

These lasers out-perform 50 mW gallium nitride (GaN) direct 405 nm Blu-ray diode lasers, but the frequency-doubled violet lasers also have a considerable infrared component in the beam, resulting from the pump diode.

黃光 DPSS Laser 的產生流程相當複雜:由波長為 808nm 的 Laser Diode 產生波長為 1064nm 及 1342nm 的光,然後疊加(混波)這兩道光、變成一道波長為 593.5nm 的雷射光。由於複雜的特性,大部分的黃光 DPSS 雷射只有約 1% 的轉換效率,而且平均每單位功率的價格,遠比其他雷射還要昂貴。

另一個產光黃光 DPSS Laser 的方法,是先產生波長為 1064nm 與 1319nm 雷射,再疊加(混波)成為波長為 589nm 的雷射。這個方式較有效率,整體的轉換效率提升到 3%。

 

與 Diode Laser 的比較


DPSS 和 Diode Laser 是兩種相當常用的固態雷射,然而,這兩種雷射各有其優缺點。

一般而言,DPSS Laser 的光束品質(profile)較佳,在兼顧光束品質良好的前提下,還是能產出功率相當高的雷射。由於 pump 晶體的方式,pump 出來的雷射品質與入射於晶體的光束,是彼此獨立的。相較之言,除非以多模的方式產出雷射(multi-mode laser),一般而言 Diode 雷射最多只能產出數百 mW 功率的雷射光。然而,多模的雷射光(multi-mode laser)的雷射直徑通常較大,且衰減相當快,這樣的雷射特性是較不理想的。事實上,單模(single-mode)的方式,在一些實務上的應用,是必要的規格,例如 Optical Drive。

從另一個角度來說,Diode Laser 通常比 DPSS Laser 便宜,且雷射轉換效率較高。如上述所言,DPSS 晶體的轉換效率低於 100%,在雷射光束被轉換(倍頻)時,雷射的功率會下降。

另外,DPSS 雷射對於溫度的穩定性相當敏感,而且需要相當理想的工作環境及條件 - DPSS 雷射只能在範圍極小的調整參數下,產出預期的波長及功率的雷射。因此,DPSS 雷射常有不穩定的問題,例如模態的跳躍(?)及功率的不穩定性(功率數值跳動很大)。DPSS 雷射在生產上也需要較複雜的流程。

另一項 Diode 雷射的優點:藉由精確的調整,Diode 雷射能產出比 DPSS 雷射更高頻(波長更短)的雷射。這是 DPSS 雷射無法達到的。

 

Reference:由本人陳建利翻譯自 Wiki:http://en.wikipedia.org/wiki/Diode-pumped_solid-state_laser,轉載請註明出處。

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