光泵半導體激光器 (OPSL) 是一項獨有的技術，它結合了激光二極管、DPSS(半導體泵浦固態)激光器和離子激光器的優異屬性，同時消除了它們的許多限制。 它們的主要優勢之一是可以大范圍 (10-100%) 自由調整輸出功率，而不會影響重要的輸出光束參數，包括光束發散度、光束形狀和光束指向。

獨立功率調節的優勢

通常來說，改變激光輸出功率或以低于其最大功率運行激光的能力非常重要。 在許多情況下，使用“電源旋鈕”對于優化工藝或實驗至關重要，例如防止檢測器飽和或樣品損壞。 通常，還應該以較低的功率執行系統校準和測試 — 以最大限度地降低損壞風險并保障操作人員眼睛的安全。 此外，STED 一類的超分辨顯微技術需要精細的功率調整來優化納米級分辨率。 因此，為了使用方便和設置簡單，平滑降低輸出功率的選項比采用某種類型的衰減器更為可取。

遺憾的是，在大多數其他固態激光器中，將功率降至低于制造商指定的理想值也會損害光束屬性： 特別是光束發散度，以及光束直徑、模式質量和光束指向。 造成這類問題的原因是一種稱為熱透鏡的現象，這種現象在基于 Nd:YVO 等松散材料的固態激光器中很常見4.

熱透鏡問題

在對激光增益晶體或玻璃進行光泵浦時，一些泵浦功率會不可避免地轉化為熱量。 此外，激光束的自重吸收會加熱晶體的有效體積。 為了穩定性能并避免損壞，需要以某種方式冷卻增益晶體。 可以采用的冷卻形式有被動散熱器、水冷、熱電 (TE) 冷卻甚至低溫冷卻。 不管是哪種冷卻類型，都是通過一個或多個晶體表面去除熱量。 在穩態操作下，這會在增益晶體中建立熱梯度。

圖 1：在基于塊狀晶體光泵浦的激光器中，泵浦光會導致無用的徑向熱梯度，并且通常還會產生縱向熱梯度，從而導致很強的熱透鏡效應，且其透鏡功率隨泵浦功率的變化而變化。

這種熱梯度會造成兩種后果。 首先，折射率會隨著激光介質中的溫度分布而變化。 此外，晶體在加熱過程中膨脹，導致其光學表面曲率變化。 在使用端面泵浦圓柱形激光棒的最簡單情況下，這些效應就會導致形成一個球面透鏡，其功率與晶體的長度和泵浦功率成正比。 此外，透鏡功率還可能受到任何縱向熱梯度的影響，特別是當增益晶體只從一端泵浦時。

要想優化高質量高斯光束輪廓 (TEM00) 中的輸出功率，就需要精心設計諧振器，包括盡可能實現激光模式與泵浦體積的理想空間匹配。 由于這些“熱透鏡”效應，操作過程中光學表面曲率或(等效)折射率空間梯度的任何變化都將導致模式質量或效率無法達到理想水平。 當然，這種熱透鏡的度數取決于施加給激光介質的泵浦功率。

在固態激光器中，熱透鏡將改變輸出光束的發散度和直徑。 有些高性能激光器，例如相干公司的 AVIA? 系列工業 DPSS 激光器，具備一種名為 ThermaTrak? 的反饋功能。此功能可以在調整功率時移動一個電動腔內透鏡，從而解決這個問題。 相反，在性能較低的 DPSS 激光器中，熱透鏡不受控制，因此泵浦功率改變時會發生變化，將導致光束參數變化，效率降低，以及可用功率范圍受限。 由于大多數商用 DPSS 激光器不包含可變補償功能，因此它們的輸出光束參數只能在指定的輸出功率下得到保證。

OPSL – 薄增益芯片 – 無熱透鏡

在 OPSL 中，增益介質是一個非常薄 (< 10 μm) 的半導體量子阱盤，覆蓋在作為后表面全反射鏡的電介質層上。 后表面又與一個主動冷卻的散熱器結合在一起，有效地冷卻半導體結構。 盡管激光操作仍會產生徑向熱梯度，但由于整個結構非常薄，因此熱透鏡可以忽略不計;事實上，增益材料中的路徑長度大約只是典型 DPSS 的千分之一。

為了證實可忽略不計的熱透鏡假設，相干公司的工程師進行了一系列測試，以監測 OPSL 增益芯片的光學屬性。在測試中，他們故意制造了一個熱梯度并采用干涉法對其進行測量。 此外，測試梯度設計為明顯大于正常激光操作下可能產生的任何梯度，即使是在 OPSL 全功率輸出的情況下其梯度也無法超過測試梯度。

圖 2 顯示了這些測試中使用的裝置。 其中，一臺 OPSL 激光器腔體進行了修改，增加了楔形分光器，這樣測試光束就能夠探測 OPSL 芯片，因為它同時被不同量的泵浦功率照射。 具體來說，980 nm 的相干單模激光束由第一個分光器分割，這樣其部分強度從 OPSL 芯片上反射出來，部分從超平考面鏡上反射出來。 第二個分光器在一個名為馬赫-曾德干涉儀的配置中重新組合這些反射光束。 然后，重組的光束被擴大，并通過一個 CCD 相機進行觀察。

如果 OPSL 芯片保持平坦，沒有熱透鏡，那么相機上的圖像在其輪廓范圍內都是均勻的。 相反，任何熱透鏡都將顯示為亮暗交替的干涉條紋，其間距可定量測量任何透鏡或其他光束扭曲的程度。 通過用加熱鏡代替 OPSL 增益芯片對這個測試裝置進行仔細評估，證明在 980 nm 的測試波長下，可以分辨出最小 λ/50 的波長失真。

圖 2：OPSL 增益芯片的光學性能是通過將其納入基于高相干單頻 980 nm 測試激光器的馬赫-曾恩干涉儀進行測試的。

在測試中，OPSL 中的泵浦激光聚焦到一個直徑只有 420 μm 的光斑上。 該泵浦激光器的功率在零到 9 瓦之間變化。 即使在這種極端熱負荷下，總波前失真也幾乎檢測不到，約為 λ/40。

實際激光性能數據

當然，在實際操作中，真正的激光性能才是最重要的。 為了充分利用這種沒有熱透鏡的情況，就需要一個堅固的整體式腔體設計，其中所有其他光學器件或光力學器件對泵浦功率的變化均不敏感。 當熱透鏡現象發生時，輸出光束在光束發散和光束直徑方面的變化明顯。 這些也是高要求應用的關鍵參數，如基于激光的成像和泵浦鈦藍寶石激光器。

圖 3：在 Verdi 系列 OPSL 中，輸出功率改變超過一個數量級，不會導致輸出光束發散發生有意義的變化。

相干公司的工程師進行了一系列全面的實驗，直接尋找這些參數的變化，將其當作輸出功率的一個函數。 具體來說，一臺 8 瓦 Verdi G 激光器的 532 nm 輸出在一個數量級的范圍內逐步變化，從幾百毫瓦到 8 瓦。 即使在這種巨大的輸出功率變化過程中，光束直徑和光束發散都非常恒定，并保持在規格范圍內，如圖 3 和圖 4 中的典型數據集所示。

圖 4：在 Verdi 系列 OPSL 中，輸出功率改變超過一個數量級，不會導致輸出光束直徑發生有意義的變化。

總結

連續可見光和近紅外激光源的主要技術選擇包括 DPSS 激光器和 OPSL。 OPSL 提供了幾個獨特的優勢，其中之一就是，即使泵浦(和輸出)功率變化超過一個數量級，光束參數也是不變的。 與其他固態激光器相比，這一優勢使系統設置更簡單，日常操作更方便，最終提供更好的性價比。

審核編輯 黃宇