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全固態(tài)激光器引言
高功率、小型化的全固態(tài)藍(lán)綠激光器在海洋探測、水下通信等軍事領(lǐng)域或者醫(yī)學(xué)方面都具有重要的地位，這些應(yīng)用一般都需要高功率藍(lán)綠激光。常用的1064 nm Nd∶YAG激光器的倍頻效率一般只有50%左右，因此通過提高倍頻效率來提高整機(jī)的電光效率顯得非常重要。如何提高非線性光學(xué)頻率變換的效率一直是激光技術(shù)界的研究熱點(diǎn)。David Eimerl[5]提出了正交頻率變換的概念受到關(guān)注，他們按照正交頻率變換的方式使用兩塊KD*P晶體，對于基波是Nd∶YLF激光輸出經(jīng)摻Nd磷酸鹽玻璃放大器放大后的1053 nm激光脈沖，在基波功率密度為200 MW/c。
半導(dǎo)體激光泵浦的全固態(tài)激光器是20世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)的新型激光器。全固態(tài)激光器的總體效率至少要比燈泵浦高10倍，由于單位輸出的熱負(fù)荷降低，可獲取更高的功率，系統(tǒng)壽命和可靠性大約是閃光燈泵浦系統(tǒng)的100倍，因此，半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)為固體激光器注入了新的生機(jī)和活力，使全固態(tài)激光器同時具有固體激光器和半導(dǎo)體激光器的雙重特點(diǎn)，它的出現(xiàn)和逐漸成熟是固體激光器的一場革命，也是固體激光器的發(fā)展方向。并且，它已滲透到各個學(xué)科領(lǐng)域，例如：激光信息存儲與處理、激光材料加工、激光醫(yī)學(xué)及生物學(xué)、激光通訊 、激光印刷、激光光譜學(xué)、激光化學(xué)、激光分離同位素、激光核聚變、激光投影顯示、激光檢測與計量及激光技術(shù)等，極大地促進(jìn)了這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和的發(fā)展。這些交叉技術(shù)與學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
全固態(tài)激光器是其應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵的、基礎(chǔ)的核心器件，因此一直倍受關(guān)注。近來，由于大功率半導(dǎo)體激光器迅速發(fā)展，促成全固態(tài)激光器的研發(fā)工作得以卓有成效地展開，并取得了諸多顯赫成果。已經(jīng)確認(rèn)，傳統(tǒng)燈泵浦固體激光器的賴以占據(jù)世界激光器市場主導(dǎo)地位的所有運(yùn)轉(zhuǎn)方式，均可以通過半導(dǎo)體激光器泵浦成功地加以實(shí)現(xiàn)。通常應(yīng)用在激光打標(biāo)機(jī)、激光劃片機(jī)、激光切割機(jī)、激光焊接機(jī)、激光去重平衡、激光蝕刻等系統(tǒng)中。由于全固態(tài)激光器具有高光電轉(zhuǎn)換效率、高功率、高穩(wěn)定性、高可靠性、壽命長、體積小等優(yōu)勢，采用全固態(tài)激光器已成為激光加工設(shè)備的趨勢和主流方向。[1]
全固態(tài)激光器分類
全固態(tài)激光器（DPL，Diode Pumped solid state Laser）是指以半導(dǎo)體激光器（LD）作為泵浦源的固體激光器，相對于只要求工作物質(zhì)為固體激光材料的傳統(tǒng)固體激光器，DPL的激光工作物質(zhì)、激勵源等部分均由固體物質(zhì)構(gòu)成，它集中了傳統(tǒng)固體激光器和半導(dǎo)體激光器的優(yōu)勢于一身，具有體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定、可靠性好、壽命長、易操作、運(yùn)轉(zhuǎn)靈便（連續(xù)/重復(fù)率/長/短脈沖）、易智能化、無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為潛力的新一代激光源之一。
按泵浦方式來分類，全固態(tài)激光器可分為端面泵浦、側(cè)面泵浦和混合泵浦等類型。一般來說，中小功率的激光器多采用端面泵浦方式，可得到比較好的光束質(zhì)量；而高功率的激光器多采用側(cè)面泵浦或混合泵浦方式，但光束質(zhì)量比較差。近來，隨著泵浦技術(shù)研究的不斷發(fā)展和成熟，也有人采用特殊技術(shù)、利用側(cè)泵方式獲得了高光束質(zhì)量的激光輸出，及利用端泵方式實(shí)現(xiàn)高功率的報道。
按工作物質(zhì)形狀來分類，全固態(tài)激光器常被分為以下幾種：棒狀激光器、板條激光器， 盤片激光器和光纖激光器等。它們各有優(yōu)點(diǎn)，近來都吸引了眾多的科研工作者的光，并都獲得了迅速的發(fā)展，當(dāng)前，功率已實(shí)現(xiàn)萬瓦級的激光輸出。
DPL具有的優(yōu)勢以及廣闊的應(yīng)用前景，國際上都投入了大量的人力和財力進(jìn)行研究并取得了重大進(jìn)展，當(dāng)前輸出平均功率均已超過萬瓦，并已經(jīng)分別用于工業(yè)或軍事領(lǐng)域。國內(nèi)在這方面的研究起步較晚，與國際尚有較大差距，但發(fā)展非常迅速，已逐步接近國際水平。2008年7月，半導(dǎo)體研究所為家研制成功滿足工業(yè)需求的千瓦級全固態(tài)激光器的單位。
另外，DPL通過變頻可實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)等可見光輸出，進(jìn)一步變頻可實(shí)現(xiàn)紫外甚至深紫外的激光輸出，而利用光參量等方式，它又可以實(shí)現(xiàn)中紅外的輸出，因此具有非常廣闊的輸出波段。再加上DPL輸出功率動態(tài)范圍極大（從mW到TW），又便于模塊化和電激勵，因此已成為激光技術(shù)的重要發(fā)展方向，是潛力的新一代激光源之一，應(yīng)用范圍遍及材料加工、信息業(yè)、醫(yī)療、生物工程、環(huán)保和能源等重要領(lǐng)域。[2]
全固態(tài)激光器應(yīng)用概況
全固態(tài)激光器國外研究情況
美國、德國、特別是日本都在加大力量發(fā)展全固態(tài)紫外激光器，特別是中大功率全固態(tài)紫外激光器的開發(fā)應(yīng)用。由于1064nm或532nm波長激光對材料的加工主要是產(chǎn)生氣化或熔融等熱作用，所以加工出的產(chǎn)品往往很難達(dá)到精細(xì)、光滑，甚至有些材料（如陶瓷、硅片等）在加工時會引起碎裂，因此，全固態(tài)紫外激光器在激光微加工、激光精密加工有著廣泛推廣應(yīng)用的趨勢。當(dāng)前國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家，全固態(tài)紫外激光器已開始成為工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)激光器。據(jù)文獻(xiàn)報道：日本M.Nishioka公司已研發(fā)出40W的266nm全固態(tài)紫外激光器；三菱公司也在市場上推出了18W 355nm 25kHz全固態(tài)紫外激光器產(chǎn)品；另外相干公司的AVIV系列激光器已做到在266nm,30kHz時，平均功率大于3W，在355nm，40kHz時，平均功率大于10W；光譜物理公司的YHP-series系列激光器也達(dá)到在266nm，20kHz時，平均功率大于1.5W，在355nm，20kHz時，平均功率大于3.5W；Lightwave electronics公司所推出的 Q301-SM激光器也達(dá)到了在355nm，10kHz時，平均功率大于10W的技術(shù)指標(biāo)?？傮w來說，國外全固態(tài)紫外激光器技術(shù)及應(yīng)用設(shè)備已趨向成熟，但價格昂貴。[2]
全固態(tài)激光器應(yīng)用
高功率半導(dǎo)體激光列陣單光纖耦合模塊可直接作為光源廣泛應(yīng)用于激光醫(yī)療、信息產(chǎn)業(yè)、激光加工、國防工業(yè)、激光和戰(zhàn)術(shù)裝備等領(lǐng)域。作為泵浦光源將是泵浦全固態(tài)激光器的核心器件，是一種高光－光轉(zhuǎn)換效率（大于30%）的高功率泵浦全固態(tài)激光器的商用半導(dǎo)體激光光源模塊，是替代燈泵浦激光器的理想產(chǎn)品。當(dāng)前，國外半導(dǎo)體激光器單根光纖耦合模塊的研究水平是耦合進(jìn)入1個芯徑400μm，輸出功率200W。耦合進(jìn)入1根800μm的光纖，輸出功率700W；耦合進(jìn)入1根1.5mm的光纖，輸出功率超過2000W。國外出售的單光纖耦合模塊產(chǎn)品水平如：Apollo公司產(chǎn)品為光纖芯徑100～600μm、光纖輸出功率15～100W；LIMO 公司產(chǎn)品為光纖芯徑200～600μm、光纖輸出功率10～50W。[2]
全固態(tài)激光器國內(nèi)研究
全固態(tài)激光器發(fā)展方向
全固態(tài)激光器的發(fā)展方向大體為：輸出功率為微/小/中型的器件將沿著多樣化、智能化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，大功率器件將向高平均功率/高光束質(zhì)量發(fā)展，而戰(zhàn)略性應(yīng)用的高能全固態(tài)激光器將得到特別加強(qiáng)從而開發(fā)出更多新技術(shù)，如當(dāng)前正待發(fā)展的熱容運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)和功率合成技術(shù)。[2]
全固態(tài)激光器研究進(jìn)展
當(dāng)前，國內(nèi)大功率全固態(tài)激光器研究水平的代表為中科院物理所，已研制出大功率全固態(tài)激光、全固態(tài)寬調(diào)諧飛秒激光器、深紫外至中紅外全固態(tài)激光器。并用自行研制的全固態(tài)高功率紅、綠、藍(lán)三基色激光器為光源，于2002年在次實(shí)現(xiàn)全固態(tài)激光全色顯示，2003年實(shí)現(xiàn)60前投和背投原理性演示樣機(jī)，2005年成功研制出60激光家庭影院、84及140大屏幕激光顯示樣機(jī)。先后參加了863“十五”重大成果展、科技創(chuàng)新展和上海國際工業(yè)博覽會，獲得博覽會的科技創(chuàng)新獎。而我國對全固態(tài)紫外激光技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的研究尚處在起步階段。
國科激光與多年從事全固態(tài)激光器研究的中科院物理所合作，對該所在國家973項(xiàng)目、863項(xiàng)目和中科院重大項(xiàng)目等支持下的，并通過863驗(yàn)收、中科院院級成果鑒定的CW紅光全固態(tài)激光器（）、多波段寬調(diào)諧全固態(tài)激光器（國際）、CW綠光全固態(tài)激光器（創(chuàng)，）、QCW高光束質(zhì)量全固態(tài)激光器（國內(nèi)）等科研成果進(jìn)行接產(chǎn)。還與該所合作完成全固態(tài)高功率紅、綠、藍(lán)三基色激光器，紫外全固態(tài)激光器，高光束質(zhì)量、高功率QCW全固態(tài)激光器等項(xiàng)目，并研制成功臺可調(diào)諧摻鈦藍(lán)寶石激光器。
這是新型的一種全固態(tài)激光器，包括諧振腔，其特征在于所述諧振腔包括用作激光晶體的摻釹釩酸釓晶體，所述摻釹釩酸釓晶體中釹的摻雜濃度至少為0．5atm%。使用全固態(tài)激光器實(shí)現(xiàn)了960nm激光的輸出，該激光屬于紅外波段，應(yīng)用前景廣闊，例如，紅外激光用于材料微加工、用于監(jiān)測工業(yè)加工環(huán)境安全；紅外激光還可應(yīng)用于激光焊接，可以制造出超過原材料硬度的焊接縫。[2]
參考資料
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