全固态激光器

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所属分类:固体激光器
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全固态激光器

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  半导体激光器泵浦的固态激光器(LDPSSL)顾名思义是以 LD 或者 LD 阵列(Laser Diode Array,简写 LDA)作为泵浦源,以固体激光材料作为增益介质的激光产生装置。这种激光器核心部件没有液体(如染料、水等)或者气体(如一些惰性气体),常被称为全固态(或全固体)激光器(All Solid State Laser)。

  全固态激光器(DPL)具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长、光束质量高等优点,市场需求十分巨大。全固态激光技术是目前我国在国际上为数不多的从材料源头直到激光系统集成拥有整体优势的高技术领域之一,具备了在部分领域加速发展的良好基础。

  高功率、小型化的全固态蓝绿激光器在海洋探测、水下通信等军事领域或者医学方面都具有重要的地位,这些应用一般都需要高功率蓝绿激光。目前,常用的1064 nm Nd∶YAG激光器的倍频效率一般只有50%左右,因此通过提高倍频效率来提高整机的电光效率显得非常重要。如何提高非线性光学频率变换的效率一直是激光技术界的研究热点。David Eimerl[5]提出了正交频率变换的概念受到关注,他们按照正交频率变换的方式使用两块KD*P晶体,对于基波是Nd∶YLF激光输出经掺Nd磷酸盐玻璃放大器放大后的1053 nm激光脉冲,在基波功率密度为200 MW/c。

  半导体激光泵浦的全固态激光器是20世纪80年代末期出现的新型激光器。全固态激光器的总体效率至少要比灯泵浦高10倍,由于单位输出的热负荷降低,可获取更高的功率,系统寿命和可靠性大约是闪光灯泵浦系统的100倍,因此,半导体激光器泵浦技术为固体激光器注入了新的生机和活力,使全固态激光器同时具有固体激光器半导体激光器的双重特点,它的出现和逐渐成熟是固体激光器的一场革命,也是固体激光器的发展方向。并且,它已渗透到各个学科领域,例如:激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯 、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光投影显示、激光检测与计量及军用激光技术等,极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。这些交叉技术与学科的出现,大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。

  全固态激光器是其应用技术领域中关键的、基础的核心器件,因此一直倍受关注。近来,由于大功率半导体激光器迅速发展,促成全固态激光器的研发工作得以卓有成效地展开,并取得了诸多显赫成果。已经确认,传统灯泵浦固体激光器的赖以占据世界激光器市场主导地位的所有运转方式,均可以通过半导体激光器泵浦成功地加以实现。通常应用在激光打标机激光划片机激光切割机激光焊接机、激光去重平衡、激光蚀刻等系统中。由于全固态激光器具有高光电转换效率、高功率、高稳定性、高可靠性、寿命长、体积小等优势,采用全固态激光器已成为激光加工设备的趋势和主流方向。

  全固态激光器(DPL,Diode Pumped solid state Laser)是指以半导体激光器(LD)作为泵浦源的固体激光器,相对于只要求工作物质为固体激光材料的传统固体激光器,DPL的激光工作物质、激励源等部分均由固体物质构成,它集中了传统固体激光器和半导体激光器的优势于一身,具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长、易操作、运转灵便(连续/重复率/长/短脉冲)、易智能化、无污染等优点,成为目前最具潜力的新一代激光源之一。

  按泵浦方式来分类,全固态激光器可分为端面泵浦、侧面泵浦和混合泵浦等类型。一般来说,中小功率的激光器多采用端面泵浦方式,可得到比较好的光束质量;而高功率的激光器多采用侧面泵浦或混合泵浦方式,但光束质量比较差。近来,随着泵浦技术研究的不断发展和成熟,也有人采用特殊技术、利用侧泵方式获得了高光束质量的激光输出,及利用端泵方式实现高功率的报道。

  按工作物质形状来分类,全固态激光器常被分为以下几种:棒状激光器、板条激光器, 盘片激光器和光纤激光器等。它们各有优点,近来都吸引了众多的科研工作者的光,并都获得了迅速的发展,当前,最高功率已实现万瓦级的激光输出。

  DPL具有的独特优势以及广阔的应用前景,国际上都投入了大量的人力和财力进行研究并取得了重大进展,当前输出平均功率均已超过万瓦,并已经分别用于工业或军事领域。国内在这方面的研究起步较晚,与国际尚有较大差距,但发展非常迅速,已逐步接近国际水平。2008年7月,中国科学院半导体研究所为国内首家研制成功满足工业需求的千瓦级全固态激光器的单位。

  另外,DPL通过变频可实现红、绿、蓝等可见光输出,进一步变频可实现紫外甚至深紫外的激光输出,而利用光参量等方式,它又可以实现中红外的输出,因此具有非常广阔的输出波段。再加上DPL输出功率动态范围极大(从mW到TW),又便于模块化和电激励,因此已成为激光技术的重要发展方向,是目前最具潜力的新一代激光源之一,应用范围遍及材料加工、信息业、医疗、生物工程、环保和能源等重要领域。

  近几年,美国、德国、特别是日本都在加大力量发展全固态紫外激光器,特别是中大功率全固态紫外激光器的开发应用。由于1064nm或532nm波长激光对材料的加工主要是产生气化或熔融等热作用,所以加工出的产品往往很难达到精细、光滑,甚至有些材料(如陶瓷、硅片等)在加工时会引起碎裂,因此,全固态紫外激光器在激光微加工、激光精密加工有着广泛推广应用的趋势。当前国外工业发达国家,全固态紫外激光器已开始成为工业用标准激光器。据文献报道:日本M.Nishioka公司已研发出40W的266nm全固态紫外激光器;三菱公司也在市场上推出了18W 355nm 25kHz全固态紫外激光器产品;另外相干公司的AVIV系列激光器已做到在266nm,30kHz时,平均功率大于3W,在355nm,40kHz时,平均功率大于10W;光谱物理公司的YHP-series系列激光器也达到在266nm,20kHz时,平均功率大于1.5W,在355nm,20kHz时,平均功率大于3.5W;Lightwave electronics公司所推出的 Q301-SM激光器也达到了在355nm,10kHz时,平均功率大于10W的技术指标。总体来说,国外全固态紫外激光器技术及应用设备已趋向成熟,但价格昂贵。

  高功率半导体激光列阵单光纤耦合模块可直接作为光源广泛应用于激光医疗、信息产业、激光加工、国防工业、激光武器和战术装备等领域。作为泵浦光源将是泵浦全固态激光器的核心器件,是一种高光-光转换效率(大于30%)的高功率泵浦全固态激光器的商用半导体激光光源模块,是替代灯泵浦激光器的理想产品。当前,国外半导体激光器单根光纤耦合模块的最高研究水平是耦合进入1个芯径400μm,输出功率200W。耦合进入1根800μm的光纤,输出功率700W;耦合进入1根1.5mm的光纤,输出功率超过2000W。国外出售的单光纤耦合模块产品水平如:Apollo公司产品为光纤芯径100~600μm、光纤输出功率15~100W;LIMO 公司产品为光纤芯径200~600μm、光纤输出功率10~50W。

  全固态激光器的发展方向大体为:输出功率为微/小/中型的器件将沿着多样化、智能化、产业化方向发展,大功率器件将向高平均功率/高光束质量发展,而战略性应用的高能全固态激光器将得到特别加强从而开发出更多新技术,如当前正待发展的热容运转技术和功率合成技术。

  当前,国内大功率全固态激光器研究水平最高的代表为中科院物理所,已研制出大功率全固态激光、全固态宽调谐飞秒激光器、深紫外至中红外全固态激光器。并用自行研制的全固态高功率红、绿、蓝三基色激光器为光源,于2002年在国内首次实现全固态激光全色显示,2003年实现60前投和背投原理性演示样机,2005年成功研制出60激光家庭影院、84及140大屏幕激光显示样机。先后参加了863“十五”重大成果展、科技创新展和上海国际工业博览会,获得博览会的科技创新奖。而我国对全固态紫外激光技术及应用系统的研究尚处在起步阶段。

  国科激光与多年从事全固态激光器研究的中科院物理所合作,对该所在国家973项目、863项目和中科院重大项目等支持下的,并通过863验收、中科院院级成果鉴定的CW红光全固态激光器(国际领先)、多波段宽调谐全固态激光器(国际首创)、CW绿光全固态激光器(国内首创,国际先进)、QCW高光束质量全固态激光器(国内领先)等科研成果进行接产。还与该所合作完成全固态高功率红、绿、蓝三基色激光器,紫外全固态激光器,高光束质量、高功率QCW全固态激光器等项目,并研制成功国内第一台可调谐掺钛蓝宝石激光器。

  这是新型的一种全固态激光器,包括谐振腔,其特征在于所述谐振腔包括用作激光晶体的掺钕钒酸钆晶体,所述掺钕钒酸钆晶体中钕的掺杂浓度至少为0.5atm%。使用全固态激光器实现了960nm激光的输出,该激光属于红外波段,应用前景广阔,例如,红外激光用于材料微加工、用于监测工业加工环境安全;红外激光还可应用于激光焊接,可以制造出超过原材料硬度的焊接缝。

  ]周寿桓,赵鸿,唐小军. 高平均功率全固态激光器[J]. 中国激光,2009,(07):1605-1618.

  李晋闽. 高平均功率全固态激光器发展现状、趋势及应用[J]. 激光与光电子学进展,2008,(07):16-29.

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