二、全固化固體激光器結(jié)構(gòu)及特點

    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激光二極管波長的增透膜。同時，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。

    實驗結(jié)果表明，與其它兩種泵浦方式相對比，端面泵浦的效率最高。其原因為：在泵浦激光模式不太差的情況下，泵浦光都能由會聚光學(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，因為端面較小時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。
    針對這一弱點，人們又進一步發(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、圓對稱的、中間部分光強最大的泵浦光束。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)的特點是，激光通過工作物質(zhì)介質(zhì)全內(nèi)反射傳輸，這樣，激光經(jīng)過工作物質(zhì)的長度就大于工作物質(zhì)的外形長度，即提供了更長的有效長度。在有效長度內(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。可脈沖和連續(xù)運轉(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?？梢钥闯觯@種結(jié)構(gòu)簡單，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，多次穿過內(nèi)包層和纖芯，使纖芯吸收率大大增加，可達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。
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。