近年來(lái)，激光加工市場(chǎng)需求增長(zhǎng)顯著，固體激光器以其脈寬窄，輸出能量大，峰值功率高及材料吸收好等特點(diǎn)，在精細(xì)微加工和特殊材料加工領(lǐng)域表現(xiàn)出色，受到市場(chǎng)廣泛的好評(píng)與認(rèn)可。
固體激光在國(guó)防、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域有著廣泛的用途，在工業(yè)領(lǐng)域，除了傳統(tǒng)的激光打標(biāo)、劃線、切割、鉆孔、材料去除、表面處理及特殊材料加工等應(yīng)用外，近年來(lái)增材制造、新型顯示、UV激光標(biāo)識(shí)等新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步拓寬了固體激光的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖1 華為Mate X手機(jī)
隨著華為Mate X 5G折疊手機(jī)的推出，創(chuàng)造性的柔性屏技術(shù)和更高速通信手段將引領(lǐng)手機(jī)市場(chǎng)的新風(fēng)向，這或帶動(dòng)固體激光市場(chǎng)的進(jìn)一步增長(zhǎng)。5G手機(jī)的天線及玻璃后蓋需要采用精細(xì)的超短脈沖激光進(jìn)行加工。OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）作為一種新興的柔性顯示技術(shù)，在制造過(guò)程中對(duì)精度要求非常高。超短脈沖激光冷切割工藝采用非接觸式加工方式，以切割邊緣崩邊小、精度高，大幅提高了工件的良率及加工效率，成為OLED柔性屏加工的理想選擇。
固體激光器是一種通過(guò)諧振腔與摻雜晶體將泵浦光能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)光的裝置，其中泵浦光主要由半導(dǎo)體激光器提供。半導(dǎo)體激光器是固體激光器的核心器件之一。工業(yè)固體激光的摻雜晶體大多摻雜稀土元素Nd3＋離子，常見(jiàn)的如Nd：YAG、Nd：YVO4等，其泵浦源多采用808nm波段或878nm波段的半導(dǎo)體激光器。以Nd：YVO4為例，其光譜吸收譜線如下圖所示：
圖2 Nd：YVO4晶體的吸收曲線
Nd：YVO4在808nm波段具有較高的吸收系數(shù)與較寬的吸收光譜，是目前應(yīng)用最廣泛的泵浦波段。但是，808nm泵浦源存在約0.3nm／℃的溫度漂移系數(shù)。當(dāng)工作環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，泵源的中心波長(zhǎng)將產(chǎn)生漂移，進(jìn)而影響Nd：YVO4晶體對(duì)泵浦光的吸收效率，降低固體激光器的光光轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率。因此，固體激光器工作時(shí)需要對(duì)泵浦源進(jìn)行TEC溫度控制，這是目前已經(jīng)很成熟的應(yīng)用方案。經(jīng)長(zhǎng)光華芯多家用戶反饋，泵浦源的中心波長(zhǎng)控制在808±3nm即可實(shí)現(xiàn)大于53％的光光轉(zhuǎn)換效率，滿足實(shí)際的使用需求。
Nd：YVO4在878.6nm波段的吸收系數(shù)較低且吸收譜寬較窄，但相比于808nm波段泵浦，其量子效率更高，相同泵浦注入功率下，產(chǎn)生的熱量將減少30％－50％，可有效降低高注入功率下的“熱效應(yīng)”問(wèn)題，獲得更好的光束質(zhì)量和更高的輸出功率。但Nd：YVO4在878.6nm處吸收光譜較窄，即使采用TEC制冷的方式對(duì)泵源的波長(zhǎng)進(jìn)行控制，其光譜寬度仍無(wú)法保證晶體的有效吸收轉(zhuǎn)換。所以，工業(yè)固體激光器在878.6nm波段一般選用波長(zhǎng)鎖定的泵浦源產(chǎn)品。泵源波長(zhǎng)鎖定后，光譜寬度可以收窄到小于1nm，同時(shí)中心波長(zhǎng)基本不隨溫度變化，可以與878.6nm波段的吸收峰實(shí)現(xiàn)最佳匹配。由于878.6nm泵源需要波長(zhǎng)鎖定，成本方面要高于808nm泵源。
圖3 長(zhǎng)光華芯808nm／880nm光纖耦合模塊
長(zhǎng)光華芯的高亮度808nm和878.6nm光纖耦合模塊，采用長(zhǎng)光華芯量產(chǎn)的超大光腔808nm和880nm單管芯片，并通過(guò)精密的光學(xué)封裝和嚴(yán)苛的工藝過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的光纖耦合輸出：
（1）808nm泵浦源產(chǎn)品，400μm輸出光纖芯徑輸出功率25W－120W（如圖4，5），波長(zhǎng)范圍控制在±3nm，光譜寬度（FWHM）＜3nm，經(jīng)客戶實(shí)測(cè)光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到53％。
（2）878.6nm波長(zhǎng)鎖定泵浦源產(chǎn)品，400μm輸出光纖芯徑最高輸出140W（如圖6，7）。該產(chǎn)品采用外腔波長(zhǎng)鎖定技術(shù)，可達(dá)到全電流范圍波長(zhǎng)鎖定，即使客戶實(shí)際在低電流調(diào)試時(shí)使用，依然能夠保證中心波長(zhǎng)穩(wěn)定在吸收峰內(nèi)，給調(diào)試和生產(chǎn)帶來(lái)極大的便利性。鎖定后的波長(zhǎng)溫度漂移系數(shù)＜0.02nm／℃，光譜全寬＜1nm。
另外，長(zhǎng)光華芯采用與工業(yè)光纖激光器泵浦源相同的耦合模塊設(shè)計(jì)與工藝，使生產(chǎn)制造的固體激光器泵浦源產(chǎn)品在工業(yè)環(huán)境中的可靠性同樣得以保證。
圖4 25W 400μm 808nm 光纖耦合模塊LIV與光譜數(shù)據(jù)
圖5 120W 400μm 808nm 光纖耦合模塊LIV與光譜數(shù)據(jù)
圖6 75W 400μm 878.6nm 光纖耦合模塊LIV與光譜數(shù)據(jù)
圖7 110W 400μm 878.6nm 光纖耦合模塊LIV與光譜數(shù)據(jù)
長(zhǎng)光華芯用于固體激光器泵浦的光纖耦合模塊可實(shí)現(xiàn)近乎平頂分布的光束輸出（如圖8），平頂分布的泵源光束耦合到摻雜晶體內(nèi)部時(shí)，泵源能量在截面方向被晶體均勻吸收。相比于高斯光束光束能量集中在中心區(qū)域，平頂分布泵浦下晶體內(nèi)的熱分布比較均勻，熱梯度較小，從而降低固體激光器的熱透鏡效應(yīng)，改善固體激光器的輸出光束質(zhì)量，提高光光轉(zhuǎn)換效率。
圖 8 長(zhǎng)光華芯878.6nm光纖耦合泵浦源輸出光束能量分布
長(zhǎng)光華芯的808nm與878.6nm光纖耦合固體激光器泵浦源經(jīng)過(guò)近兩年在客戶處的使用示范驗(yàn)證，產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，光光轉(zhuǎn)換效率高，采用自主研發(fā)并量產(chǎn)的單管芯片，波長(zhǎng)控制優(yōu)異，具有高性價(jià)比的明顯優(yōu)勢(shì)。
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