二、全固化固體激光器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

    全固化固體激光器可分為兩類：二極管泵浦固體激光器和光纖激光器?，F(xiàn)將其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)分別敘述如下。
1. 二極管泵浦固體激光器
    激光二極管泵浦固體激光器的種類很多，可以是連續(xù)的、脈沖的、調(diào) Q 的，以及加倍頻混頻等非線性轉(zhuǎn)換的。工作物質(zhì)的形狀有圓柱和板條狀的。而泵浦的耦合方式又分為直接端面泵浦、光纖耦合端面泵浦和側(cè)面泵浦三種結(jié)構(gòu)。泵浦所用的激光二極管或激光二極管陣列出射的泵浦光，經(jīng)由會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)將泵浦光耦合到晶體棒上，在晶體棒的泵浦耦合面上為減少耦合損失而鍍有對(duì)激光二極管波長(zhǎng)的增透膜。同時(shí)，該端面也是固體激光器的諧振腔的全反端，因而端面的膜也是輸出激光的諧振腔，起振后產(chǎn)生的激光束由輸出鏡耦合輸出。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與其它兩種泵浦方式相對(duì)比，端面泵浦的效率最高。其原因?yàn)椋涸诒闷旨す饽Ｊ讲惶畹那闆r下，泵浦光都能由會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)耦合到工作物質(zhì)中，耦合損失較少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而產(chǎn)生的振蕩光的模式與泵浦光模式有密切關(guān)系，匹配的效果好，因此，工作物質(zhì)用泵浦光的利用率也相對(duì)高一些。然而，端面泵浦雖然效率高，但固體激光的輸出功率受端面限制，因?yàn)槎嗣孑^小時(shí)只能采用單元的激光二極管，這就限制了泵浦光的最大功率。如果采用功率較大的激光二極管陣列作泵浦源，則由于陣列型二極管輸出的泵浦光模式不好，因而不易將泵浦光有效地耦合到工作物質(zhì)中，實(shí)際上降低了效率。而且由于泵浦光的模式較為復(fù)雜，泵浦后輸出的1.06μm 激光的光束質(zhì)量也不易保證。
    針對(duì)這一弱點(diǎn)，人們又進(jìn)一步發(fā)展了光纖耦合的端面泵浦和側(cè)面泵浦方式。端面泵浦激光器由激光二極管、兩個(gè)聚焦系統(tǒng)、耦合光纖、工作物質(zhì)和輸出反射鏡組成。與直接端面泵浦不同，這種結(jié)構(gòu)首先把激光二極管發(fā)射的光束質(zhì)量很差的激光耦合到光纖中，經(jīng)過(guò)一段光纖傳輸后，從光纖中出射的光束變成發(fā)散角較小的、圓對(duì)稱的、中間部分光強(qiáng)最大的泵浦光束。用這一輸出的泵浦光去泵浦工作物質(zhì)，由于它和振蕩激光在空間上匹配得很好，因此泵浦效率很高。由于激光二極管或二極管陣列與光纖間的耦合較與工作物質(zhì)的耦合容易，從而降低了對(duì)器件調(diào)整的要求。而且最重要的是這種耦合方式能使固體激光器輸出模式好、效率高。
    側(cè)面泵浦板條固體激光器要得到更大功率的激光輸出，就必然要采用泵浦功率較大的陣列型激光二極管，由于陣列二極管的發(fā)光面較大，不可能利用端面泵浦，因此，大多采用側(cè)泵浦方式。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，在工作板條的一側(cè)用激光二極管陣列，另一側(cè)是全反器，使泵浦光盡量集中到工作物質(zhì)中。板條狀激光器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，激光通過(guò)工作物質(zhì)介質(zhì)全內(nèi)反射傳輸，這樣，激光經(jīng)過(guò)工作物質(zhì)的長(zhǎng)度就大于工作物質(zhì)的外形長(zhǎng)度，即提供了更長(zhǎng)的有效長(zhǎng)度。在有效長(zhǎng)度內(nèi)，工作物質(zhì)皆可直接吸收到由激光二極管發(fā)射的泵浦光，從而較易獲得大功率輸出，研究開發(fā)的重點(diǎn)就在于發(fā)展大功率的端面泵浦固體激光器，從激光二極管發(fā)出的光束經(jīng)光學(xué)耦合從側(cè)面泵浦激光晶體，從而獲得單級(jí)輸出的激光；并可以根據(jù)所要得到的輸出功率要求而改變激光工作物質(zhì)的長(zhǎng)度而改變激光二極管泵浦的效率和功率。

2. 光纖激光器
    光纖激光器屬光波導(dǎo)激光器，以摻稀土元素（Nd，Yb 或Er）的光纖為工作物質(zhì)，并用二極管激光作為泵浦源?？擅}沖和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，其性能已明顯優(yōu)于二極管泵浦固體激光器，不僅在光纖通訊領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且由于大功率光纖激光器的成功開發(fā)，正向激光打標(biāo)、焊接、切割等工業(yè)激光應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展。光纖激光器基本結(jié)構(gòu)和固體激光器的結(jié)構(gòu)基本相同，由泵浦源（激光二極管和必要的光學(xué)耦合系統(tǒng)）、增益介質(zhì)（摻稀土元素的增益光纖）、諧振腔（可為反射鏡、光纖光柵或光纖環(huán)）等組成。按泵浦光的入射方式，光纖激光器可分為：端面泵浦光纖激光器、雙包層光纖激光器和任意形狀光纖激光器。

1) 端面泵浦光纖激光器
    端面泵浦光纖激光器中的光纖與普通光纖十分相似，僅在纖芯摻以激光工作物質(zhì)。與二極管端面泵浦固體激光器的泵浦方式相似，采用光學(xué)耦合系統(tǒng)將泵浦光直接耦合到光纖的纖芯端面上。通常情況下，兩端面也是激光諧振腔的全反鏡和輸出鏡。可以看出，這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其泵浦端面因面積很小，可以注入的泵浦光能量有限，故該類激光器屬小功率光纖激光器，它們大多應(yīng)用于光通訊中。
2) 雙包層光纖激光器
    為了克服端面泵浦光纖激光器注入功率小的問題，人們發(fā)明了雙包層光纖激光器。它主要由纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)層組成。纖芯采用了稀土摻雜技術(shù)，為激光增益介質(zhì)，稀土離子吸收泵浦光并輻射單模激光，外包層采用低折射率材料。通常情況下，泵浦光采用斜入射方式，使泵浦光在內(nèi)外包層界面形成全反射，這樣，泵浦光在多次反射后，多次穿過(guò)內(nèi)包層和纖芯，使纖芯吸收率大大增加，可達(dá)90%以上。這種泵浦方式與二極管泵浦固體激光器的側(cè)面泵浦方式很相似，注入功率可以大大增加，又提高了泵浦光的利用率。這類光纖激光器的輸出功率在百瓦量級(jí)。
3) 任意形狀光纖激光器
    為了克服雙包層光纖激光器輸出功率受到限制，進(jìn)一步提高輸出功率，日本學(xué)者率先開發(fā)出了一種任意形狀光纖激光器，有望獲得千瓦量級(jí)的光纖激光器。其方案是將光纖排放成盤狀結(jié)構(gòu)，大大增加了泵浦光的利用面積，其有效利用面積比纖芯端面和包層端面大得多。根據(jù)光纖的排放方式不同，這類光纖激光器又可分為盤狀、片狀、圓柱狀、環(huán)狀和棒狀等不同結(jié)構(gòu)的光纖激光器。