全固化固體激光器研究及進(jìn)展

1、全固化固體激光器研究及進(jìn)展就武漢小國(guó)光谷產(chǎn)業(yè)而言，能量光電子是其小最重要的組成部分，而激光器及其激 光設(shè)備乂是能量光電子的核心產(chǎn)站。自第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世，固體激光器就一直占據(jù) 了激光器發(fā)展的主導(dǎo)地位，特別是在20世紀(jì)80年代岀現(xiàn)的半導(dǎo)體激光器以及在此基礎(chǔ)上 出現(xiàn)的全固化固體激光器更因?yàn)轶w積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定、可靠性好和壽命長(zhǎng) 等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為光電行業(yè)屮最具發(fā)展前途的領(lǐng)域。目前世界范圍內(nèi)銷(xiāo)售的商品固體激光器 己有500余種，但從1998年開(kāi)始，固體激光器中的nd:yag激光器的市場(chǎng)占有率和銷(xiāo)售 額己升為第-位。深圳市星鴻藝激光科技有限公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)激光打標(biāo)機(jī)，激光焊接機(jī)，深圳 激光打

2、標(biāo)機(jī)，東莞激光打標(biāo)機(jī)傳統(tǒng)的固體yag激光器，通常由摻徴鎧鋁石榴石晶體棒、泵汕燈、聚光腔、光學(xué)諧振腔、 電源及制冷系統(tǒng)組成，英轉(zhuǎn)換效率為2%到3%。另一方面整個(gè)激光器需要龐大的制冷系統(tǒng), 體積很大。泵油燈的壽命約為300到1000小時(shí)，操作人員需花 很多時(shí)間頻繁的換燈，中斷系統(tǒng)工作，光纖激光打標(biāo)機(jī)使自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的效率大大降低。因 此技術(shù)上沒(méi)冇大的發(fā)展空間，全固化固體激光器將取代燈泵浦固體激光器，深圳市星鴻藝激 光科技有限公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)激光打標(biāo)機(jī)，激光焊接機(jī)，深圳激光打標(biāo)機(jī)，東莞激光打標(biāo)機(jī)這是固 體激光器的發(fā)展方向。近年來(lái)由于大功率激光二極管制造工藝的成熟和生產(chǎn)成本的降低， 使二極管泵浦固體激光器的

3、研究得到了飛快的發(fā)展，r已正式進(jìn)入商品化。世界著名的激光 公司rofin-sinar所銷(xiāo)售的激光工業(yè)加工設(shè)備中60%已是二極管泵浦的固體激光器。表一 給出了三類(lèi)激光器的特性比較。農(nóng)、光纖激光器、二極管泵浦固體激光器和燈泵浦固體激光器的特性比較pacing=0 cellpadding=0光纖激光器二極管泵浦固體激光器燈泵浦固體激光器border=1> 特性工作方式連續(xù)或脈沖連續(xù)或脈沖連續(xù)或脈沖輻射波長(zhǎng)（微米）0.532, 1.07, 1.8-2.00.532, 1.061.06輸出功率/能量高達(dá)2kw/高達(dá)1mj高達(dá)2kw/高達(dá)60mj高達(dá)2kw/高100j電光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)20%高達(dá)20%

4、低于6%光束質(zhì)杲基模*基模或多階模基?；蚨嚯A模功率/能暈穩(wěn)定性< 1.5%<3%<3%冷卻方式風(fēng)冷風(fēng)冷或水冷水冷可靠性較好較廷維護(hù)周期無(wú)需維護(hù)無(wú)需維護(hù)300小時(shí)使用壽命大于10萬(wàn)小時(shí)大于1.5 7j小時(shí)大于5千小時(shí)系統(tǒng)體積小巧緊湊較小較大光纖傳輸成本技術(shù)單模光纖較高最新多模光纖較高新多模光纖較低iu*輸出功率大于100瓦時(shí)一般采用光纖束，但光束質(zhì)量比所有其它激光器系統(tǒng)高一個(gè)量 級(jí)。與傳統(tǒng)燈泵汕固體激光器比較，全固化固體激光器具有以下優(yōu)點(diǎn):1）轉(zhuǎn)換效率高：由于半導(dǎo)體激光的發(fā)射波長(zhǎng)與固體激光工作物質(zhì)的吸收峰相吻合，加之泵 浦光模式可以很好地與激光振蕩模式相匹配，從而光光轉(zhuǎn)換效率很

5、高，己達(dá)50%以上，整 機(jī)效率也可以與二氧化碳激光器相當(dāng)，光纖激光打標(biāo)機(jī)比燈泵固體激光器高出一個(gè)量級(jí)，因 而全固化固休激光器可省去笨重的水冷系統(tǒng)，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，易于系統(tǒng)集成, 性能價(jià)格比高。2）性能可靠、壽命長(zhǎng)：激光二極管的壽命人人長(zhǎng)于閃光燈，達(dá)15000小時(shí)以上，而閃光 燈的壽命只有300-1000小時(shí)。激光二極管的泵浦能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個(gè)數(shù)量 級(jí)，性能可靠，深圳市星鴻藝激光科技有限公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)激光打標(biāo)機(jī)，激光焊接機(jī),深圳激 光打標(biāo)機(jī)，東莞激光打標(biāo)機(jī)可制成全固化器件。運(yùn)行壽命長(zhǎng)，成為至今為止唯一無(wú)需維護(hù)的 激光器，尤其適用于人規(guī)模生產(chǎn)線(xiàn)。3）輸出光朿質(zhì)量好：由于二極管

6、泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率，減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效 應(yīng)，人人改善了激光器的輸出光束質(zhì)量，激光光束質(zhì)量已接近理論極限m2 = 1o二、全固化固體激光器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)全固化固體激光器可分為兩類(lèi)：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(diǎn)分別敘述如下。仁一極管泵浦固體激光器激光二極管泵浦固體激光器的種類(lèi)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(xiàn)性轉(zhuǎn)換的。工作物質(zhì)的形狀有圓柱和板條狀的。而泵浦的耦合方式乂分為總接 端而泵浦、光纖耦合端而泵浦和側(cè)而泵浦三種結(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)山會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)將泵浦光耦合到品體棒上，在品體棒的泵浦耦合而上 為減少

7、耦合損失1佃鍍有對(duì)激光二極管波長(zhǎng)的增透膜。同時(shí)，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。dl li l2 l3圖-二極管直接端面泵浦固體激光器示意圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果農(nóng)明，與其它兩種泵浦方式相對(duì)比，端面泵浦的效率最高。其原因?yàn)椋涸诒闷?激光模式不太差的情況下，泵浦光都能由會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)耦合到丁作物質(zhì)屮，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(duì)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?yàn)槎嗣孑^小時(shí)只能采用單元

8、的激光二極管，這就限制 了泵浦光的最人功率。深圳市星鴻藝激光科技有限公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)激光打標(biāo)機(jī)，激光焊接機(jī), 深圳激光打標(biāo)機(jī)，東莞激光打標(biāo)機(jī)如果采用功率較人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(shí)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1.06pm激光的光束質(zhì)量也不 易保證。針對(duì)這一弱點(diǎn)，人們乂進(jìn)一步發(fā)展了光纖耦合的端而泵浦和側(cè)而泵浦方式。端面泵浦激 光器由激光二極管、兩個(gè)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屮，經(jīng)過(guò)一段

9、 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(duì)稱(chēng)的、屮間部分光強(qiáng)最大的泵 浦光束。用這一輸出的泵浦光去泵浦工作物質(zhì)，光纖激光打標(biāo)機(jī)由于它和振蕩激光在空i'可上 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(duì)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人功率的激光輸出,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)光而較人，不可能利用端血泵浦，因此，人多采用側(cè)泵浦方式。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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

10、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(diǎn)是，激光通過(guò)工作物質(zhì)介質(zhì)全內(nèi)反射傳輸，這樣，激光經(jīng)過(guò)工作物質(zhì)的氏度就大于工作物質(zhì)的外形長(zhǎng)度，即提供了更長(zhǎng)的有效長(zhǎng)度。在有效長(zhǎng)度內(nèi)，工作物質(zhì)皆可肓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(kāi)發(fā)的重點(diǎn)就在于發(fā)展大功率的端面泵油固體激光器，從激光二極管發(fā)岀的光束經(jīng)光學(xué)耦合從側(cè)血泵浦激光晶體，從而獲得單級(jí)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)的氏度而改變激光二極管泵浦的效率和功率。圖二（a）二極管側(cè)血泵浦固體激光器示意圖圖二（b）新加坡制造技術(shù)研究院研制的二極管側(cè)而泵浦固體激光器光纖激光器屬光波導(dǎo)激光器，以摻稀

11、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。深圳市星鴻藝激光科技有限公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)激光打標(biāo)機(jī)，激光焊接 機(jī)，深圳激光打標(biāo)機(jī)，東莞激光打標(biāo)機(jī)可脈沖和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，其性能已叨顯優(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，而且山于大功率光纖激光器的成功開(kāi)發(fā)，正 向激光打標(biāo)、焊接、光纖激光打標(biāo)機(jī)切割等工業(yè)激光應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展。光纖激光器基木結(jié)構(gòu)和i古i體激光器的結(jié)構(gòu)基木相同，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)）等纟r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

12、包層 光纖激光器和任意形狀光纖激光器。j_llpg牛:產(chǎn)的系列光纖激光器src=h border=0>圖三ipg生產(chǎn)的系列光纖激光器1）端面泵汕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 纖芯端而上。通常情況下，兩端面也是激光諧振腔的全反鏡和輸出鏡。可以看出，這種結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，但其泵浦端面因面積很小，可以注入的泵浦光能雖冇限，故該類(lèi)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(wèn)題，人們發(fā)明了雙包層光纖激

13、光器。它主 要由纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)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，光纖激光打標(biāo)機(jī)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，深圳市星鴻藝激光科技有限公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)激光打標(biāo)機(jī)，激光 焊接機(jī)，深圳激光打標(biāo)機(jī)，東莞激光打標(biāo)機(jī)使泵浦光在內(nèi)外包層界面形成全反射，這樣，泵汕 光在多次反射后，多次穿過(guò)內(nèi)包層和纖芯，使纖芯吸收率人人增加，可達(dá)90%以上。這種 泵浦方式與二極管泵浦固體激光器的側(cè)而泵浦方式很相似，注入功率可以人人增加，又提 高了泵浦光的利用率。這類(lèi)光纖激光器的輸出功率在百瓦量級(jí)。3）任意形狀光纖激光器為了克服雙包層光纖激光

14、器輸出功率受到限制，進(jìn)一步提高輸出功率，日木學(xué)者率先開(kāi) 發(fā)出了一種任意形狀光纖激光器，有望獲得千瓦量級(jí)的光纖激光器。其方案是將光纖排放 成盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，大大增加了泵浦光的利用而積，其有效利用而積比纖芯端而和包層端而大得多。 根據(jù)光纖的排放方式不同，這類(lèi)光纖激光器又可分為盤(pán)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。三、全固化固體激光器市場(chǎng)和應(yīng)用展望根據(jù)«laser focus world）報(bào)道，2002年全球商用激光器產(chǎn)值為43億美元，其中，非 二極管激光市場(chǎng)為44%,預(yù)計(jì)2003年全球商用激光產(chǎn)值48億美元，其中非二極管激光 市場(chǎng)占領(lǐng)41%。表二、三和四分別給出了近兒年來(lái)全球

15、商用激光市場(chǎng)的情況。可以看出， 在全固化固體激光器屮,二極管泵浦固體激光器仍然占主導(dǎo)地位。從2002年的銷(xiāo)售到2003 年的銷(xiāo)售預(yù)測(cè)來(lái)看，光纖激光打標(biāo)機(jī)全球非二極管激光產(chǎn)值平均增長(zhǎng)為5.9%,燈泵浦固體 激光器增長(zhǎng)為5.83%,而二極管泵浦固體激光器增 長(zhǎng)卻高達(dá)12%,表明全固化固體激光器 止快速增長(zhǎng)，逐步在市場(chǎng)中成為主導(dǎo)產(chǎn)品。表五給iht 1999-2001年國(guó)內(nèi)激光產(chǎn)品的銷(xiāo)售 情況，可以看岀，固體激 光器銷(xiāo)售額遠(yuǎn)人于氣體激光器的銷(xiāo)售額，但全固化固體激光器的 銷(xiāo)售額耒見(jiàn)報(bào)道，其研究和開(kāi)發(fā)述遠(yuǎn)落后于世界水平，其主耍原因應(yīng)歸咎于我國(guó)大功率半導(dǎo) 體激光器 水平的落后。2001年國(guó)內(nèi)激光產(chǎn)品銷(xiāo)售額為

16、28.39億元，僅湖北產(chǎn)值就為15.64 億元，顯示武漢中國(guó)光谷在能量光電子方而的強(qiáng)大實(shí)力。深圳市星鴻藝激光科技有限公司 專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)激光打標(biāo)機(jī)，激光焊接機(jī)，深圳激光打標(biāo)機(jī)，東莞激光打標(biāo)機(jī)表二、全球商川激光器市場(chǎng)（億美元）1999 年2000 年2001 年2002 年2003 年4988564348農(nóng)三、全球二極管激光在全固化固體激光器屮的應(yīng)用（億美元）1999 年2000 年2001 年2002 年2003 年千臺(tái)51.871.488.8122.8144.1百萬(wàn)美元53.685.0100.0118.6135.1表四、全球非二極管激光器市場(chǎng)燈泵浦流動(dòng)co2準(zhǔn)分子二極管激光封離式co2合計(jì)2002年（億美元）6.184.353.751.921.1218.82003年（億美元）6.544.574.012.151.1219.92002年（臺(tái)）13281296014059278123551130212003年（臺(tái)）13880311016301043012565112506表五、1999-2001年全國(guó)激光產(chǎn)品銷(xiāo)售額按主要激光器件分類(lèi)統(tǒng)計(jì)（萬(wàn)元人民幣）類(lèi)別1999 年2000 年2001 年銷(xiāo)售額增長(zhǎng)率銷(xiāo)售額增長(zhǎng)率銷(xiāo)售額增長(zhǎng)率氮?dú)凹す馄骷皯?yīng)用1926.3-32.7%2179.613.2%2634.4520.9%co2激光器及應(yīng)用12018.938.7%15201.826.5%3