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和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。近年来,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。
一、国外发展概况
目前,美国、日本、德国3个国家激光产业的发展代表了当今世界激光产业发展的趋势。日本在光电子技术方面占首位,在激光医疗及激光检测方面,美国占首位,而在激光材料加工设备方面则是德国占首位。
半导体激光泵浦的全固态激光器已是工业用激光设备的核心器件,也可以单独作为激光器应用。
目前,国外千瓦级全固态激光器系统已有诸多报道,休斯航天航空实验室的研究人员们用侧面泵浦棒状Yb:YAG晶体获得了0.95kW的大功率输出。日本在2005年实现输出平均功率大于等于10kW,电光效率大于等于20%的高功率全固态激光器。国外工业发达国家,全固态激光器已开始成为工业用标准激光器。据文献报道:国外全固态激光器商品级单腔输出激光功率1.1kW,最高输出功率6kW以上。ROFIN公司已有千瓦级大功率全固态激光器及系统;相干公司、光谱物理公司、Lightwave electronics公司等都有多品种、多系列的全固态激光器出售。美国Lee Laser是世界一流的高功率50~100W 532nm绿激光的生产商,产品广泛应用于原晶的激光加工和处理。总体来说,国外全固态激光器技术及应用设备工程化水平高,产品已趋向成熟。
在大功率全固态红色激光器问世后,大功率全固态蓝、绿激光器的相继问世,为彩色激光电视的发展奠定了基础。微电子技术及精密加工技术的发展使得激光大屏幕显示技术走向实用化。俄罗斯、美国、德国等相继成功开发了高功率激光显示系统、激光电视、激光数字影院等。高功率激光显示系统的功率已达到20W的水平,显示图像的面积大于10m2。随着技术的发展,全固态激光器的输出功率还将越来越大;另一方面,为了适应激光电视的发展,全固态激光器的体积将越来越小。当前激光电视正进入产业化的前期,产业化的高潮即将兴起。
全固态紫外激光器的发展和应用是当前国内外最引人关注的亮点之一,全固态紫外激光器与传统的准分子紫外激光器相比较,具有体积小、效率高、寿命长、光束质量好、无毒、不需要更换特殊气体、价格便宜等许多优点,在国外,全固态紫外激光器已成为激光划片、微细钻孔等微电子加工的最理想激光源。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。目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。目前,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。 二、国内研究进展
全固态激光器的
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