白皮书

OPSL 优势白皮书系列 #2:
恒定光束属性

Overview

The optically pumped semiconductor laser (OPSL) is a unique patented technology that combines the most desirable attributes of laser diodes, DPSS (Diode Pumped Solid State) and Ion lasers, while eliminating a number of their compromising limitations. One of their key advantages is the freedom to adjust the output power over a large range (10-100%) with no effect on important output beam parameters, including beam divergence, beam shape and beam pointing.

OPSL Advantages White Papers in this series:

#1. Wavelength flexibility
#2. Invariant beam properties
#3. No mode noise ("green noise")
#4. Superior reliability - huge installed base

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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最佳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。

Figure 1

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。

 

There are two consequences of this thermal gradient. Firstly, the refractive index changes according to the temperature distribution in the laser medium. In addition, the crystal expands as it heats up, producing a change in the curvature of its optical surfaces. In the simplest case of an end-pumped cylindrical laser rod, these effects create a spherical lens whose power is proportional to the length of the crystal and the pump power. Moreover, the lens power may also be affected by any longitudinal gradient, particularly if the gain crystal is only pumped from one end.

Optimizing the output power in a high quality Gaussian beam profile (TEM00) requires a careful design of the resonator, inclusive of the best possible spatial match of the laser mode with the pumped volume. Any change of the curvature of optical surfaces or – equivalently – spatial gradients of the refractive indices during operations will result in suboptimal mode quality or efficiency because of these “thermal lensing” effects. Of course the degree of this thermal lens depends on the pump power applied to the laser medium.

In solid state lasers, thermal lensing will change the output beam divergence and diameter. In high-performance lasers like Coherent’s AVIA family of industrial DPSS lasers for example, a feedback feature called ThermaTrak addresses this problem by moving a motorized intracavity lens as the power is adjusted. Conversely, in lower-performance DPSS lasers, the thermal lens is not controlled and its variations as the pump power is changed will result in beam parameter changes, reduction in efficiency and limited usable power range. Since most commercial DPSS lasers do not include variable compensation, their output beam parameters are only guaranteed at the specified output power.

 

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。

Figure 2

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最明显。 这些也是高要求应用的最关键参数,如基于激光的成像和泵浦钛蓝宝石激光器。

Figure 3

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。

Figure 4

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。

Summary

The main technology choices for CW visible and near IR laser sources include DPSS lasers and OPSLs. The OPSL provides several unique advantages, one of which is the invariance of the beam parameters even when the pump (and output) power is varied by over an order of magnitude. Compared with other solid-state lasers, this advantage results in an easier system set-up and more convenient daily operations, ultimately delivering a better performance/cost ratio.

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