摘要：文章詳細(xì)分析了全固化固體激光器(solid laser)的結(jié)構(gòu)、特點、市場和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：全固化固體激光器(solid laser)，二極管泵浦固體激光器(solid laser)，光纖激光器
一、引言
就武漢中國光谷產(chǎn)業(yè)而言，能量光電子是其中最重要的組成部分，而激光器及其激光設(shè)備又是能量光電子的核心產(chǎn)品。自第一臺紅寶石激光器問世，固體激光器(solid laser)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年代出現(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(solid laser)更因為體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn) 定、可靠性好和壽命長等優(yōu)點，逐漸成為光電行業(yè)中最具發(fā)展前途的領(lǐng)域。目前世界范圍內(nèi)銷售的商品固體激光器(solid laser)已有500余種，但從1998年開始，固體激光 器中的Nd:YAG激光器的市場占有率和銷售額已升為第一位。
傳統(tǒng)的固體YAG激光器，通常由摻釹釔鋁石榴石晶體棒、泵浦燈、聚光腔、光學(xué)諧振腔、電源及制冷系統(tǒng)組成，其轉(zhuǎn)換效率為2%到3%。另一方面整個激光器需 要龐大的制冷系統(tǒng)，體積很大。泵浦燈的壽命約為300到1000小時，操作人員需花很多時間頻繁的換燈，中斷系統(tǒng)工作，使自動化生產(chǎn)線的效率大大降低。因 此技術(shù)上沒有大的發(fā)展空間，全固化固體激光器(solid laser)將取代燈泵浦固體激光器(solid laser)，這是固體激光器(solid laser)的發(fā)展方向。近年來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(solid laser)的研究得到了飛快的發(fā)展，且已正式進(jìn)入商品化。世界著名的激光公司Rofin-Sinar所銷售的激光工業(yè)加工設(shè)備中60％ 已是二極管泵浦的固體激光器(solid laser)。表1給出了三類激光器的特性比較。
表1 光纖激光器、二極管泵浦固體激光器(solid laser)和燈泵浦固體激光器(solid laser)的特性比較
特性 光纖激光器 二極管泵浦固體激光器(solid laser) 燈泵浦固體激光器(solid laser) 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（微米） 0.532, 1.07, 1.8-2.0 0.532, 1.06 1.06 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% 低于6% 光束質(zhì)量 基模* 基?；蚨嚯A模 基模或多階模 功率/能量穩(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 最佳 較好 較差 維護(hù)周期 無需維護(hù) 無需維護(hù) 300小時 使用壽命 大于10萬小時 大于1.5萬小時 大于5千小時 系統(tǒng)體積 小巧緊湊 較小 較大 光纖傳輸 單模光纖 多模光纖 多模光纖 成本 較高 較高 較低 技術(shù) 最新 新 舊
* 輸出功率大于100瓦時一般采用光纖束，但光束質(zhì)量比所有其它激光器系統(tǒng)高一個量級。
與傳統(tǒng)燈泵浦固體激光器(solid laser)比較，全固化固體激光器(solid laser)具有以下優(yōu)點：
1)轉(zhuǎn)換效率高：由于半導(dǎo)體激光的發(fā)射波長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)換效率很高，已 達(dá)50％以上，整機(jī)效率也可以與二氧化碳激光器相當(dāng)，比燈泵固體激光器(solid laser)高出一個量級，因而全固化固體激光器(solid laser)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，性能價格比高。
2)性能可靠、壽命長：激光二極管的壽命大大長于閃光燈，達(dá) 15000小時以上，而閃光燈的壽命只有300-1000小時。激光二極管的泵浦能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個數(shù)量級，性能可靠，可制成全固化器件。 運(yùn)行壽命長，成為至今為止唯一無需維護(hù)的激光器，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。
3)輸出光束質(zhì)量好：由于二極管泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率，減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，大大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 = 1。
二、全固化固體激光器(solid laser)結(jié)構(gòu)及特點
全固化固體激光器(solid laser)可分為兩類：二極管泵浦固體激光器(solid laser)和光纖激光器?，F(xiàn)將其結(jié)構(gòu)和特點分別敘述如下。
1.二極管泵浦固體激光器(solid laser)
激光二極管泵浦固體激光器(solid laser)的種類很多，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 又分為直接端面泵浦、光纖耦合端面泵浦和側(cè)面泵浦三種結(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)由會聚光學(xué)系統(tǒng)將泵浦光耦合到晶體棒 上，在晶體棒的泵浦耦合面上為減少耦合損失而鍍有對激光二極管波長的增透膜。同時，該端面也是固體激光器(solid laser)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。
圖1 二極管直接端面泵浦固體激光器(solid laser)示意圖
實驗結(jié)果表明，與其它兩種泵浦方式相對比，端面泵浦的效率最高。其原因為：在泵浦激光模式不太差的情況下，泵浦光都能由會聚光學(xué)系統(tǒng)耦合到工作物質(zhì)中，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，因為端面較小時只能采用單元的激光二極管，這就限制了泵浦光的最大功率。如果采用功率較 大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1.06μm激光的光束質(zhì)量也不易保證。#p#分頁標(biāo)題#e#
針對這一弱點，人們又進(jìn)一步發(fā)展了光纖耦合的端面泵浦和側(cè)面泵浦方式。端面泵浦激光器由激光二極管、兩個聚焦系統(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中，經(jīng)過一段光纖傳輸后，從光纖中出射的光束變成發(fā)散角較小的、圓對稱 的、中間部分光強(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)，由于它和振蕩激光在空間上匹配得很好，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(solid laser)輸出模式好、效率高。
側(cè)面泵浦板條固體激光器(solid laser)要得到更大功率的激光輸出，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)光面較大，不可能利用端面泵浦，因 此，大多采用側(cè)泵浦方式。這種結(jié)構(gòu)的特點是，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 是，激光通過工作物質(zhì)介質(zhì)全內(nèi)反射傳輸，這樣，激光經(jīng)過工作物質(zhì)的長度就大于工作物質(zhì)的外形長度，即提供了更長的有效長度。在有效長度內(nèi)，工作物質(zhì)皆可直 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，研究開發(fā)的重點就在于發(fā)展大功率的端面泵浦固體激光器(solid laser)，從激光二極管發(fā)出的光束經(jīng)光學(xué)耦合從 側(cè)面泵浦激光晶體，從而獲得單級輸出的激光；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)的長度而改變激光二極管泵浦的效率和功率。
圖2（a）二極管側(cè)面泵浦固體激光器(solid laser)示意圖
圖2（b）新加坡制造技術(shù)研究院研制的二極管側(cè)面泵浦固體激光器(solid laser)
2.光纖激光器
光纖激光器屬光波導(dǎo)激光器，以摻稀土元素（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。可脈沖和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，其性能已明顯優(yōu)于二極管泵 浦固體激光器(solid laser)，不僅在光纖通訊領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且由于大功率光纖激光器的成功開發(fā)，正向激光打標(biāo)(laser marking)、焊接、切割等工業(yè)激光應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展。
光纖激光器基本結(jié)構(gòu)和固體激光器(solid laser)的結(jié)構(gòu)基本相同，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)）等組成。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、雙包層光纖激光器和任意形狀光纖激光器。
圖3 IPG生產(chǎn)的系列光纖激光器
1)端面泵浦光纖激光器
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(solid laser)的泵浦方式相似，采用光學(xué)耦合系統(tǒng)將泵浦光直接耦 合到光纖的纖芯端面上。通常情況下，兩端面也是激光諧振腔的全反鏡和輸出鏡?？梢钥闯觯@種結(jié)構(gòu)簡單，但其泵浦端面因面積很小，可以注入的泵浦光能量有 限，故該類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題，人們發(fā)明了雙包層光纖激光器。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，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，使泵浦光在內(nèi)外包層界面形成全反射，這樣，泵 浦光在多次反射后，多次穿過內(nèi)包層和纖芯，使纖芯吸收率大大增加，可達(dá)90%以上。這種泵浦方式與二極管泵浦固體激光器(solid laser)的側(cè)面泵浦方式很相似，注入功率可 以大大增加，又提高了泵浦光的利用率。這類光纖激光器的輸出功率在百瓦量級。
3)任意形狀光纖激光器
為了克服雙包層光纖激光器輸出功率受到限制，進(jìn)一步提高輸出功率，日本學(xué)者率先開發(fā)出了一種任意形狀光纖激光器，有望獲得千瓦量級的光纖激光器。其方案是 將光纖排放成盤狀結(jié)構(gòu)，大大增加了泵浦光的利用面積，其有效利用面積比纖芯端面和包層端面大得多。根據(jù)光纖的排放方式不同，這類光纖激光器又可分為盤狀、 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(solid laser)市場和應(yīng)用展望
根據(jù)《Laser Focus World》報道，2002年全球商用激光器產(chǎn)值為43億美元，其中，非二極管激光市場為44%，預(yù)計2003年全球商用激光產(chǎn)值48億美元，其中非二極 管激光市場占領(lǐng)41%。表2、3和4分別給出了近幾年來全球商用激光市場的情況。可以看出，在全固化固體激光器(solid laser)中，二極管泵浦固體激光器(solid laser)仍然占主導(dǎo)地位。 從2002年的銷售到2003年的銷售預(yù)測來看，全球非二極管激光產(chǎn)值平均增長為5.9%，燈泵浦固體激光器(solid laser)增長為5.83%，而二極管泵浦固體激光器(solid laser)增 長卻高達(dá)12%，表明全固化固體激光器(solid laser)正快速增長，逐步在市場中成為主導(dǎo)產(chǎn)品。表5給出了1999-2001年國內(nèi)激光產(chǎn)品的銷售情況，可以看出，固體激 光器銷售額遠(yuǎn)大于氣體激光器的銷售額，但全固化固體激光器(solid laser)的銷售額未見報道，其研究和開發(fā)還遠(yuǎn)落后于世界水平，其主要原因應(yīng)歸咎于我國大功率半導(dǎo)體激光器 水平的落后。2001年國內(nèi)激光產(chǎn)品銷售額為28.39億元，僅湖北產(chǎn)值就為15.64億元，顯示武漢中國光谷在能量光電子方面的強(qiáng)大實力。
表2 全球商用激光器市場（億美元）
1999年 2000年 2001年 2002年 2003年 49 88 56 43 48
表3 全球二極管激光在全固化固體激光器(solid laser)中的應(yīng)用（億美元）
1999年 2000年 2001年 2002年 2003年 千臺 51.8 71.4 88.8 122.8 144.1 百萬美元 53.6 85.0 100.0 118.6 135.1
表4 全球非二極管激光器市場
燈泵浦 流動CO2 準(zhǔn)分子 #p#分頁標(biāo)題#e#二極管激光 封離式CO2 合計 2002年（億美元） 6.18 4.35 3.75 1.92 1.12 18.8 2003年（億美元） 6.54 4.57 4.01 2.15 1.12 19.9 2002年（臺） 13281 2960 1405 9278 12355 113021 2003年（臺） 13880 3110 1630 10430 12565 112506
表5 1999-2001年全國激光產(chǎn)品銷售額按主要激光器件分類統(tǒng)計（萬元人民幣）
類別 1999年 2000年 2001年 銷售額 增長率 銷售額 增長率 銷售額 增長率 氦氖激光器及應(yīng)用 1926.3 -32.7% 2179.6 13.2% 2634.45 20.9% CO2激光器及應(yīng)用 12018.9 38.7% 15201.8 26.5% 31942.5 110.1% YAG激光器及應(yīng)用 25635.1 -4% 49639 93.6% 66288.6 33.5% 半導(dǎo)體激光器及應(yīng)用 39249.4 164.6% 67612.6 72.3% 156974.8 132.2%
由于高功率全固化固體激光器(solid laser)的相繼成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也已從最成熟的光通訊方面向其它更為廣闊的激光應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，如材料加工中的激光標(biāo)記、激光焊接、激光打孔和激光切割(laser cutting)等，其它領(lǐng)域如激光醫(yī)學(xué)、激光檢測和測量等。下圖給出了國外生產(chǎn)的光纖激光打標(biāo)(laser marking)機(jī)
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