一、引言
    第一臺(tái)連續(xù)YAG 激光器于1964 年實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)，近40 年來(lái)YAG 激光器一直與CO2激光器同受重視，是第二類最重要的工業(yè)激光器，目前世界范圍內(nèi)銷售的商品YAG 激光器已有500 種，但從1998 年開(kāi)始，Nd:YAG 激光器的市場(chǎng)占有率和銷售額已升為第一位。
    傳統(tǒng)的固體YAG 激光器，通常由摻釹釔鋁石榴石晶體棒，泵浦燈、聚光腔、光學(xué)諧振腔、電源及制冷系統(tǒng)組成，其轉(zhuǎn)換效率為2%到3%。由于泵浦燈發(fā)射的光譜只有極小部分被晶體棒所吸收并轉(zhuǎn)換成激光能量，大部分注入電功率轉(zhuǎn)換成熱能，其直接害處一方面表現(xiàn)為大量的熱能造成激光晶體不可消除的熱透鏡效應(yīng)，使激光光束質(zhì)量變差；另一方面整個(gè)激光器需要龐大的制冷系統(tǒng)，體積很大。泵浦燈的壽命約為300 到1000 小時(shí)，操作人員需花很多時(shí)間頻繁的換燈，中斷系統(tǒng)工作，使自動(dòng)化生產(chǎn)線的效率大大降低。有關(guān)專家認(rèn)為，燈泵浦固體激光器的發(fā)展已到盡頭，技術(shù)上沒(méi)有大的發(fā)展空間，二極管泵浦固體激光器（全固化固體激光器）將取代燈泵浦固體激光器。
    二極管泵浦固體激光器的技術(shù)核心包括光束耦合、光束質(zhì)量、電源技術(shù)、控制系統(tǒng)及系統(tǒng)集成。二極管泵浦技術(shù)的出現(xiàn)，為固體激光器注入了新的生機(jī)和活力，使固體激光器的一場(chǎng)革命，這是固體激光器的發(fā)展方向。近年來(lái)由于大功率激光二極管制造工藝的成熟和生產(chǎn)成本的降低，使二極管泵浦固體激光器的研究得到了飛快的發(fā)展，且已正式進(jìn)入商品化。世界著名的激光公司Rofin-Sinar 所銷售的激光工業(yè)加工設(shè)備中60％已是二極管泵浦的固體激光器。
 

與傳統(tǒng)燈泵浦固體激光器比較，二極管泵浦固體激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 轉(zhuǎn)換效率高：正如圖1 所示，由于半導(dǎo)體激光的發(fā)射波長(zhǎng)與固體激光工作物質(zhì)的吸收峰相吻合，加之泵浦光模式可以很好地與激光振蕩模式相匹配，從而光光轉(zhuǎn)換效率很高，已達(dá)50％以上[1]，整機(jī)效率也可以與二氧化碳激光器相當(dāng)，比燈泵固體激光器高出一個(gè)量級(jí)，因而二極管泵浦激光器可省去笨重的水冷系統(tǒng)，體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。

(2) 性能可靠、壽命長(zhǎng)：激光二極管的壽命大大長(zhǎng)于閃光燈，達(dá) 15000 小時(shí)以上，而閃光燈的壽命只有300-1000 小時(shí)。激光二極管的泵浦能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個(gè)數(shù)量級(jí)，性能可靠，可制成全固化器件。運(yùn)行壽命長(zhǎng)，成為至今為止唯一無(wú)需維護(hù)的激光器，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。
(3) 輸出光束質(zhì)量好：由于二極管泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率，減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，大大改善了激光器的輸出光束質(zhì)量，激光光束質(zhì)量已接近理論極限M2 = 1。激光二極管陣列的功率雖然已可以達(dá)到很大，但本身輸出光束發(fā)散角大，且發(fā)射波長(zhǎng)有限，而用二極管泵浦激光則可以大大改善其光束質(zhì)量，并且可擴(kuò)展發(fā)射波長(zhǎng)。這就是用二極管泵浦激光器，而不是直接將激光二極管應(yīng)用于工業(yè)上的原因。

二、激光器結(jié)構(gòu)
1. 基本結(jié)構(gòu)
    為了獲得大功率的激光輸出，將三個(gè)大功率激光二極管陣列排在激光晶體周圍，在側(cè)面將二極管激光能量耦合到激光晶體上，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。由于二極管激光束的發(fā)散角很大，達(dá)40°，激光束需經(jīng)柱面鏡聚焦到激光晶體上，激光晶體用導(dǎo)流管包圍，冷卻水在導(dǎo)流管及激光晶體表面間流動(dòng)，使晶體冷卻。導(dǎo)流管的另一作用是防治冷卻水污染激光二極管。合理的設(shè)計(jì)使二極管激光能量有效地耦合到激光晶體上，并有效地為Nd:YAG激光束振蕩放大所利用。

2. 激光二極管驅(qū)動(dòng)電源
    激光二極管驅(qū)動(dòng)電源以單片機(jī)為核心，由電源模塊、控制電路、保護(hù)電路、通信模塊、狀態(tài)指示與電流顯示電路組成。該系統(tǒng)最高連續(xù)輸出電流可達(dá)50A，二極管偏置電壓可達(dá)500VDC。在該全固化固體激光器中，電流設(shè)計(jì)為40A，二極管偏置電壓20VDC，是為連續(xù)輸出60W 激光功率的激光器提供驅(qū)動(dòng)和控制的專用系統(tǒng)。
3. 激光器冷卻系統(tǒng)
    冷卻系統(tǒng)由壓縮機(jī)、膨脹閥、冷凝器、熱交換器、水泵、水箱、流量開(kāi)關(guān)、水流計(jì)等組成。根據(jù)激光器的冷卻要求選擇水流量及并設(shè)定水溫。一般情況下，激光二極管的冷卻水溫設(shè)定在25oC。最大制冷量要求應(yīng)為注入到激光二極管的電功率減去激光功率再加上水泵的發(fā)熱量。
4. 激光諧振腔
    標(biāo)準(zhǔn)的激光諧振腔由一個(gè)全反鏡和一個(gè)輸出耦合鏡組成?？紤]激光晶體的熱透鏡效應(yīng)，將激光晶體等效成一個(gè)焦距為f0 的透鏡[2]。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，我們可以設(shè)定f0=300mm, 將激光諧振腔設(shè)計(jì)成一個(gè)穩(wěn)定腔。為了得到小的發(fā)散角，則通過(guò)增加諧振腔長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，其代價(jià)為激光功率的減少。