[发明专利]具有高效率增益介质的激光

说明书

技术领域

此揭露内容是关于用于高功率应用的固态激光装置。

背景资讯

激光是通过集中外部能量源成为特定波长与方向的光波而放大光线，使得造成的光波是于空间上或时间上准直或同相。激光介质可为气体、液体、或固体状态的材料，诸如：晶体。晶体激光介质可掺杂另一种材料的原子以变更该激光介质的性质。

如熟悉此技术人士为众所周知，激光的基本操作原理是了解为如后：当激光介质被供给能量，包含激光介质的原子内的电子是暂时提升至较高原子能阶，该过程称为激发(pumping)吸收。当高能量电子返回至较低能量状态，原子通过在二个能阶之间的间隔而发射所决定的波长的光线。此过程是称为刺激性或自发性发射，且发射过程期间所发射的可见光是称为荧光(fluorescence)。欲达成于特定波长的放大，刺激性发射事例的数目是必须超过刺激性吸收事例的数目，称为居量逆转(population inversion)的条件需要相较于下能阶而维持较多的电子于上能阶。此居量逆转是通过“激发”具有外部能量源(诸如电流或另一激光束)的激光而达成。通过容纳激光介质于其具有反射光线的内部表面的盒或腔部，由刺激性发射所产生的光波是共振于该腔部之内且强化彼此以形成同调(coherent)、准直的光束。因此，允许产生的同调的激光束的部分漏出通过腔部的一端。脉冲激光束是可通过周期式中断连续束而产生。典型的脉冲重复频率是超过每秒100,000个脉冲或100千赫兹。

激光激发效率是由其定义为激发能量损失的百分比的“量子缺陷(quantumdefect)”位准所表示。过量的能量是在激光介质中作为热量。量子缺陷百分比是假定为：

q＝(1-ω_s/ω_p)·100，

其中，ω_s是关联于激光能量转变的频率且ω_p是激发光线频率。因此，低的量子缺陷是合意的。就由强光源所激发的一种激光材料的情形而论，激发状态吸收(ESA，excited state absorption)降低激发效率。因子γ＝[1+(δv/Δv)²]^-1是运用以测量于发射与吸收线之间的重叠，其中，δv是于发射转变与吸收转变之间的频率差异且Δv是具有激发二极管光谱的半强度的全线宽度。小γ值是对应于ESA转变的低机率与关于ESA的高效率激发方式。

具有功率位准为数十瓦的高功率、二极管激发固态(DPSS，diode-pumpedsolid state)脉冲激光较佳是用于在诸如微机械加工、集成电路的通孔钻孔、及紫外线(UV，ultraviolet)转换的应用。掺杂Nd³⁺的钒氧化物(VO₄)所作成的钕:钒酸钇(Nd:YVO₄)与钕:钒酸钆(Nd:GdVO₄)激光是用于高功率应用的良好的候选者，因为其特征在于宽带宽的激发波长的高能量吸收系数。然而，钒酸盐相较于其它的晶体候选者(例如：钕:钇铝石榴石(Nd:YAG))而具有不良的热机械性质，在于：该种材料是坚硬且当受到热应力时为容易破裂。钒酸盐是在压力53百万帕斯卡(MPa)之下为破裂，而运用于习用激光的Nd:YAG晶体是可承受高达138百万帕斯卡的压力。因此，Nd:YAG相较于钒酸盐而允许对应较大的最大激发功率。

概括而言，由激光介质所吸收的功率是自进入点而指数式减小，根据P＝P₀(1-e^-αL)，其中，P₀是所施加的激发功率，α是吸收系数，且L是晶体杆(rod)的长度。若激发功率较佳为沿着晶格的一个轴而吸收，于该轴的方向的吸收系数为较大。高功率激发产生高温度梯度与关联的拉张应力，其可能引起不对称的“热透镜化(lensing)”效应或晶体破裂，尤其针对于不对称吸收为严重。对称吸收系数指出：激发能量为同等地吸收于所有方向，其可耗尽沿着增益介质的热量且相继降低于晶体的过量热应力。Nd:YVO₄晶体单位晶格的固有结构(具有沿着光轴的尺寸c＝6.2其为不同于垂直于光轴的等效尺寸a＝b＝7.1)是造成不对称的吸收。