白皮书
OPSL 优势白皮书系列 #2：
恒定光束特性
综述
光泵半导体激光器（OPSL）是一项独特的专利技术，它融合了激光二极管、DPSS（半导体泵浦固态）激光器和离子激光器的优异特性，同时消除了它们的诸多局限。 其主要优势之一在于能够在大范围内（10%-100%）自由调节输出功率，且不会影响关键的输出光束参数，包括光束发散角、光束形状和光束指向。
OPSL 优势白皮书系列：
#1.波长灵活性
#2. 恒定光束属性
#3.无“绿光噪声”
#4.卓越的可靠性 - 庞大的安装基数
独立功率调节的优势
通常而言，能够调节激光输出功率或使激光在低于最大功率的条件下运行至关重要。在许多情况下，使用“功率调节旋钮”对于优化工艺或实验至关重要，例如防止探测器饱和或样品损坏。此外，系统校准和测试通常也应在较低功率下进行——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 等超分辨率显微技术需要精细的功率调节来优化纳米级分辨率。因此，为了方便使用和简化设置，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特性：特别是光束发散角，以及光束直径、模式质量和光束指向性。造成此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，部分泵浦功率会不可避免地转化为热量。 此外，激光束的自吸收也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。可采用的冷却方式包括被动散热器、水冷、热电（TE）冷却甚至低温冷却。无论采用哪种冷却类型，都是通过一个或多个晶体表面带走热量。在稳态运行下，这会在增益晶体中形成热梯度。
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，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。
这种热梯度会产生两种后果。首先，折射率会随着激光介质中温度的分布而变化。此外，晶体在加热过程中会膨胀，导致其光学表面的曲率发生变化。在使用端面泵浦圆柱形激光棒的最简单情况下，这些效应就会导致形成一个球面透镜，其功率与晶体的长度及泵浦功率成正比。 此外，透镜功率还可能受到任何纵向热梯度的影响，特别是在增益晶体仅从一端泵浦的情况下。
要优化高质量高斯光束轮廓（TEM00）中的输出功率，就需要精心设计谐振腔，包括尽可能实现激光模式与泵浦体积的最佳空间匹配。 由于这些“热透镜”效应，运行过程中光学表面曲率或（等效）折射率空间梯度的任何变化都会导致模式质量或效率无法达到最佳水平。当然，这种热透镜的度数取决于施加给激光介质的泵浦功率。
在固态激光器中，热透镜会改变输出光束的发散角和直径。某些高性能激光器，例如Coherent高意公司的AVIA™系列工业DPSS激光器，具备一种名为ThermaTrak™的反馈功能。该功能可在调节功率时移动一个电动腔内透镜，从而解决这一问题。 相反，在性能较低的DPSS激光器中，热透镜不受控制，因此当泵浦功率发生变化时，热透镜也会随之变化，这将导致光束参数变化、效率降低以及可用功率范围受限。由于大多数商用DPSS激光器不包含可变补偿功能，因此其输出光束参数仅能在指定的输出功率下得到保证。
OPSL – 低增益芯片 – 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。
为了验证“热透镜效应可忽略不计”的高意 进行了一系列测试，以监测OPSL增益芯片的光学特性。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，测试梯度的设计明显大于正常激光工作条件下可能产生的任何梯度，即使在OPSL全功率输出时，其梯度也无法超过测试梯度。
图 2 展示了这些测试中使用的装置。其中，一台 OPSL 激光器腔体经过改装，增加了楔形分光器，这样测试光束就能检测到 OPSL 芯片，因为它同时受到不同强度的泵浦功率照射。 具体而言，980 nm 的相干单模激光束由第一个分光器进行分束，使得其部分强度从 OPSL 芯片上反射出来，部分则从超平面镜上反射出来。第二个分光器在一种名为马赫-曾德干涉仪的配置中将这些反射光束重新组合。随后，重组后的光束被放大，并通过 CCD 相机进行观测。
如果 OPSL 芯片保持平整且没有热透镜效应，那么相机上的图像在其轮廓范围内都是均匀的。 相反，任何热透镜都会表现为明暗交替的干涉条纹，其间距可用于定量测量透镜或其他光束畸变的程度。通过用加热镜代替 OPSL 增益芯片对该测试装置进行仔细评估，证明在 980 nm 的测试波长下，可以分辨出最小为 λ/50 的波长畸变。
图 2：OPSL 增益芯片的光学性能是通过将其集成到基于高相干单频 980 nm 测试激光器的马赫-曾恩干涉仪中进行测试的。
在测试中，OPSL 中的泵浦激光被聚焦到一个直径仅为 420 μm 的光斑上。该泵浦激光器的功率在 0 至 9 瓦之间变化。即使在这种极端热负荷下，总波前失真也几乎无法检测到，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，就需要采用坚固的一体化腔体设计，其中所有其他光学元件或光力学元件对泵浦功率的变化均不敏感。 当热透镜现象发生时，输出光束在发散角和光束直径方面的变化最为显著。这些参数也是高要求应用中最关键的指标，例如基于激光的成像和钛蓝宝石激光器的泵浦。
图 3：在Verdi OPSL 中，即使输出功率变化超过一个数量级，也不会导致输出光束发散发生显著变化。
高意 工程师进行了一系列全面的实验，直接研究这些参数的变化，并将它们作为输出功率的函数。 具体而言，一台 8 瓦Verdi 激光器的 532 nm 输出功率在几个数量级的范围内逐步变化，从几百毫瓦到 8 瓦。即使在如此巨大的输出功率变化过程中，光束直径和光束发散角也保持非常稳定，并始终处于规格范围内，如图 3 和图 4 中的典型数据集所示。
图 4：在Verdi OPSL 中，即使输出功率变化超过一个数量级，也不会导致输出光束直径发生显著变化。