全固体黄光激光器

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1、全固态激光器的研发与应用概况全固态激光器的研发与应用概况作者：李丽娜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、

2、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

3、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

4、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 50100W 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

5、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

6、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

7、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 Q

8、301- 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 400m，输出功率 200W。耦合进入 1 根 800m 的光纤，

9、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 100600m、光纤输出功率 15100W；LIMO 公司产品为光纤芯径 200600m、光 纤输出功率 1050W。 二、国内研究进展 全固态激光器的发展方向大体为：输出功率为微/小/中型的器件将沿着多样化、智能化、 产业化方向发展，大功率器件将向高平均功率/高光束质量发展，而战略性应用的高能全 固态激光器将得到特别加强从而开发出更多新技术，如目前正待发展的热容运转技术和功 率合成技术。 目前，国内大功率全固态激光器研究水平最高的代表为中科

10、院物理所，已研制出大功率全固态激光、全固态宽调谐飞秒激光器、深紫外至中红外全固态激光器。并用自行研制的全 固态高功率红、绿、蓝三基色激光器为光源，于 2002 年在国内首次实现全固态激光全色 显示，2003 年实现 60 前投和背投原理性演示样机，2005 年成功研制出 60 激光家庭影 院、84 及 140 大屏幕激光显示样机。先后参加了 863“十五”重大成果展、科技创新展和上 海国际工业博览会，获得博览会的科技创新奖。而我国对全固态紫外激光技术及应用系统 的研究尚处在起步阶段。 国科激光与多年从事全固态激光器研究的中科院物理所合作，对该所在国家 973 项目、 863 项目和中科院重大项

11、目等支持下的，并通过 863 验收、中科院院级成果鉴定的 CW 红光全固态激光器（国际领先）、多波段宽调谐全固态激光器（国际首创）、CW 绿光全 固态激光器（国内首创，国际先进）、QCW 高光束质量全固态激光器（国内领先）等科 研成果进行接产。还与该所合作完成全固态高功率红、绿、蓝三基色激光器，紫外全固态 激光器，高光束质量、高功率 QCW 全固态激光器等项目，并研制成功国内第一台可调谐 掺钛蓝宝石激光器。 中国科学院和中国工程物理研究院从 20 世纪 80 年代开始联合攻关，承担了“神光”系列激 光系统的研制和 ICF 物理实验，取得了国际瞩目的成就。其中，“神光-”激光装置于 1986 年

12、建成，达到国际同类装置的先进水平。“神光-”连续运行 8 年，在 ICF 和 X 射线 激光等前沿领域取得了一批国际一流水平的物理成果。90 年代又研制小型的“星光 II”激光 装置和“神光-”激光装置现已投入运行，总体技术性能进入世界前五位。1995 年，ICF 在国家 863 计划中立项为“惯性约束聚变”主题，在中国工程物理研究院开始研制“神光-” 激光装置。 尽管“神光 III”激光装置的规模比美国目前在建的 NIF 要小许多，但“神光 III”的建设集中了 当前国内最先进的光学、激光、精密机械及计算机控制等系统为一体的综合性高科技工程 项目。国科激光与中国工程物理研究院合作为“神光 I

13、II”激光装置研制预放系统。 目前，在国内，国科激光属于具有很好的研究基础和产业化生产技术，是国内知名的高新 技术型企业，已成功的掌握了大功率全固态激光器的核心制造技术，并制定了全固态激光 器的企业标准，将此技术向产业化方向发展，必然会给激光技术的应用带来革命性的变革。三、市场发展前景 目前，美国、日本、德国等国家在制造业，如电子、医疗、汽车、目前，美国、日本、德国等国家在制造业，如电子、医疗、汽车、航空、航天、等领域已基本完成传统工艺的更新换代，步入航空、航天、等领域已基本完成传统工艺的更新换代，步入“光加光加工工”时代。时代。 近年来由于半导体激光的迅速发展，使半导体激光泵浦的全固态激光器

14、加工设备所占的市 场份额越来越大。德国 Rofin 激光公司所销售的激光加工设备中 60%已是全固态激光器。根据相关统计，国外全固态激光器产业 2004 年销售额已达近百亿美元，其中产品销售额 的 29%用于激光标记，15%用于激光微加工。全球全固态激光器加工系统年增长率约为 23%，而全固态激光器是激光器加工系统的核心部件，市场需求也将同步增长，其年需求 增长率将达到 20%以上。因此，全固态激光器的发展趋势很好，市场前景非常广阔。 据Laser Focus杂志和Laser Report杂志的预测，目前全世界全固态激光器的需 求量至 2008 年可达到 20 万台。这一需求量每年以 20%以

15、上的速度增加，每年实际的市 场销售达到市场容量的 90，其中对大功率全色激光器的需求将是一个大的增长点。 近年来中国激光市场呈现出稳定、高速增长的态势。自 1999-2005 年，中国激光产品市 场销售情况分别为：14.13 亿、19.11 亿、32.4 亿、28.62 亿、36.89 亿、42.32 亿、 47.75 亿元人民币。在整个中国的激光产业中，激光材料加工近几年的发展势头强劲，且 有很大的空间，激光加工在中国激光产业中占的比例也是日益重大。在看到行业迅猛发展 的同时，我们还应该看到我国激光产业起步晚、基础薄弱，与世界领先国家的差距还很大。 例如：与国际上激光加工系统相比，我国的激光

16、加工系统差距甚大，仅占全球销售额的 2%左右。主要表现为：高档激光加工系统很少，甚至没有；主力激光器不过关；微细激 光加工装备缺口较大。这些领域我国的生产企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有 很大发展空间。 侧面泵浦全固态激光器可以单独作为 1064nm 激光器使用或是作为核心器件普遍被应用在 激光打标机、激光划片机、激光内雕机及其它应用系统中。根据统计，目前国内仅打标机 及雕刻机的生产厂家就达 100 多家，年生产能力达到 20005000 套。应用系统对固体激 光器需求量应在 4000 套以上，总销售额将达 2 亿元以上。由于全固态激光器具有高稳定 性、高功率、寿命长等优势，其中约有 60%将采用全固态激光器，其年需求量应在 20003000 套。国内市场主要集中在深圳、北京、上海、武汉、天津等激光加工产业比 较发达的大中城市及其周边地区。根据上述全固态激光器的年需求量约在 3000 套左右。 蓝、绿 DPL 当前国际市场商品价格约 1 万美元/W，如 CW（连续）532 nm 器件，10W 价格为 10 万美元，5W 约 5 万美元