全固態雷射器

半導體雷射器泵浦的固態雷射器（LDPSSL）顧名思義是以 LD 或者 LD 陣列（Laser Diode Array，簡寫 LDA）作為泵浦源，以固體雷射材料作為增益介質的雷射產生裝置。這種雷射器核心部件沒有液體（如染料、水等）或者氣體（如一些惰性氣體），常被稱為全固態（或全固體）雷射器（All Solid State Laser）。

全固態雷射器（DPL）具有體積小、重量輕、效率高、性能穩定、可靠性好、壽命長、光束質量高等優點，市場需求十分巨大。全固態雷射技術是目前我國在國際上為數不多的從材料源頭直到雷射系統集成擁有整體優勢的高技術領域之一，具備了在部分領域加速發展的良好基礎。

基本介紹

• 中文名：全固態雷射器
• 外文名：LDPSSL
• 特點：體積小、重量輕、效率高
• 核心部件：沒有液體或氣體
• 套用：海洋探測、水下通信等
• 學科：光學

引言

高功率、小型化的全固態藍綠雷射器在海洋探測、水下通信等軍事領域或者醫學方面都具有重要的地位，這些套用一般都需要高功率藍綠雷射。目前，常用的1064 nm Nd∶YAG雷射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的電光效率顯得非常重要。如何提高非線性光學頻率變換的效率一直是雷射技術界的研究熱點。David Eimerl[5]提出了正交頻率變換的概念受到關注，他們按照正交頻率變換的方式使用兩塊KD*P晶體，對於基波是Nd∶YLF雷射輸出經摻Nd磷酸鹽玻璃放大器放大後的1053 nm雷射脈衝，在基波功率密度為200 MW/c。

半導體雷射泵浦的全固態雷射器是20世紀80年代末期出現的新型雷射器。全固態雷射器的總體效率至少要比燈泵浦高10倍，由於單位輸出的熱負荷降低，可獲取更高的功率，系統壽命和可靠性大約是閃光燈泵浦系統的100倍，因此，半導體雷射器泵浦技術為固體雷射器注入了新的生機和活力，使全固態雷射器同時具有固體雷射器和半導體雷射器的雙重特點，它的出現和逐漸成熟是固體雷射器的一場革命，也是固體雷射器的發展方向。並且，它已滲透到各個學科領域，例如：雷射信息存儲與處理、雷射材料加工、雷射醫學及生物學、雷射通訊 、雷射印刷、雷射光譜學、雷射化學、雷射分離同位素、雷射核聚變、雷射投影顯示、雷射檢測與計量及軍用雷射技術等，極大地促進了這些領域的技術進步和前所未有的發展。這些交叉技術與學科的出現，大大地推動了傳統產業和新興產業的發展。

全固態雷射器是其套用技術領域中關鍵的、基礎的核心器件，因此一直倍受關注。近來，由於大功率半導體雷射器迅速發展，促成全固態雷射器的研發工作得以卓有成效地展開，並取得了諸多顯赫成果。已經確認，傳統燈泵浦固體雷射器的賴以占據世界雷射器市場主導地位的所有運轉方式，均可以通過半導體雷射器泵浦成功地加以實現。通常套用在雷射打標機、雷射劃片機、雷射切割機、雷射焊接機、雷射去重平衡、雷射蝕刻等系統中。由於全固態雷射器具有高光電轉換效率、高功率、高穩定性、高可靠性、壽命長、體積小等優勢，採用全固態雷射器已成為雷射加工設備的趨勢和主流方向。

分類

全固態雷射器（DPL，Diode Pumped solid state Laser）是指以半導體雷射器（LD）作為泵浦源的固體雷射器，相對於只要求工作物質為固體雷射材料的傳統固體雷射器，DPL的雷射工作物質、激勵源等部分均由固體物質構成，它集中了傳統固體雷射器和半導體雷射器的優勢於一身，具有體積小、重量輕、效率高、性能穩定、可靠性好、壽命長、易操作、運轉靈便（連續/重複率/長/短脈衝）、易智慧型化、無污染等優點，成為目前最具潛力的新一代雷射源之一。

按泵浦方式來分類，全固態雷射器可分為端面泵浦、側面泵浦和混合泵浦等類型。一般來說，中小功率的雷射器多採用端面泵浦方式，可得到比較好的光束質量；而高功率的雷射器多採用側面泵浦或混合泵浦方式，但光束質量比較差。近來，隨著泵浦技術研究的不斷發展和成熟，也有人採用特殊技術、利用側泵方式獲得了高光束質量的雷射輸出，及利用端泵方式實現高功率的報導。

按工作物質形狀來分類，全固態雷射器常被分為以下幾種：棒狀雷射器、板條雷射器， 碟片雷射器和光纖雷射器等。它們各有優點，近來都吸引了眾多的科研工作者的光，並都獲得了迅速的發展，當前，最高功率已實現萬瓦級的雷射輸出。

DPL具有的獨特優勢以及廣闊的套用前景，國際上都投入了大量的人力和財力進行研究並取得了重大進展，當前輸出平均功率均已超過萬瓦，並已經分別用於工業或軍事領域。國內在這方面的研究起步較晚，與國際尚有較大差距，但發展非常迅速，已逐步接近國際水平。2008年7月，中國科學院半導體研究所為國內首家研製成功滿足工業需求的千瓦級全固態雷射器的單位。

另外，DPL通過變頻可實現紅、綠、藍等可見光輸出，進一步變頻可實現紫外甚至深紫外的雷射輸出，而利用光參量等方式，它又可以實現中紅外的輸出，因此具有非常廣闊的輸出波段。再加上DPL輸出功率動態範圍極大（從mW到TW），又便於模組化和電激勵，因此已成為雷射技術的重要發展方向，是目前最具潛力的新一代雷射源之一，套用範圍遍及材料加工、信息業、醫療、生物工程、環保和能源等重要領域。

套用概況

國外研究情況

近幾年，美國、德國、特別是日本都在加大力量發展全固態紫外雷射器，特別是中大功率全固態紫外雷射器的開發套用。由於1064nm或532nm波長雷射對材料的加工主要是產生氣化或熔融等熱作用，所以加工出的產品往往很難達到精細、光滑，甚至有些材料（如陶瓷、矽片等）在加工時會引起碎裂，因此，全固態紫外雷射器在雷射微加工、雷射精密加工有著廣泛推廣套用的趨勢。當前國外工業已開發國家，全固態紫外雷射器已開始成為工業用標準雷射器。據文獻報導：日本M.Nishioka公司已研發出40W的266nm全固態紫外雷射器；三菱公司也在市場上推出了18W 355nm 25kHz全固態紫外雷射器產品；另外相干公司的AVIV系列雷射器已做到在266nm,30kHz時，平均功率大於3W，在355nm，40kHz時，平均功率大於10W；光譜物理公司的YHP-series系列雷射器也達到在266nm，20kHz時，平均功率大於1.5W，在355nm，20kHz時，平均功率大於3.5W；Lightwave electronics公司所推出的 Q301-SM雷射器也達到了在355nm，10kHz時，平均功率大於10W的技術指標。總體來說，國外全固態紫外雷射器技術及套用設備已趨向成熟，但價格昂貴。

套用

高功率半導體雷射列陣單光纖耦合模組可直接作為光源廣泛套用於雷射醫療、信息產業、雷射加工、國防工業、雷射武器和戰術裝備等領域。作為泵浦光源將是泵浦全固態雷射器的核心器件，是一種高光－光轉換效率（大於30%）的高功率泵浦全固態雷射器的商用半導體雷射光源模組，是替代燈泵浦雷射器的理想產品。當前，國外半導體雷射器單根光纖耦合模組的最高研究水平是耦合進入1個芯徑400μm，輸出功率200W。耦合進入1根800μm的光纖，輸出功率700W；耦合進入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組產品水平如：Apollo公司產品為光纖芯徑100～600μm、光纖輸出功率15～100W；LIMO 公司產品為光纖芯徑200～600μm、光纖輸出功率10～50W。

國內研究

發展方向

全固態雷射器的發展方向大體為：輸出功率為微/小/中型的器件將沿著多樣化、智慧型化、產業化方向發展，大功率器件將向高平均功率/高光束質量發展，而戰略性套用的高能全固態雷射器將得到特別加強從而開發出更多新技術，如當前正待發展的熱容運轉技術和功率合成技術。

研究進展

當前，國內大功率全固態雷射器研究水平最高的代表為中科院物理所，已研製出大功率全固態雷射、全固態寬調諧飛秒雷射器、深紫外至中紅外全固態雷射器。並用自行研製的全固態高功率紅、綠、藍三基色雷射器為光源，於2002年在國內首次實現全固態雷射全色顯示，2003年實現60前投和背投原理性演示樣機，2005年成功研製出60雷射家庭影院、84及140大螢幕雷射顯示樣機。先後參加了863“十五”重大成果展、科技創新展和上海國際工業博覽會，獲得博覽會的科技創新獎。而我國對全固態紫外雷射技術及套用系統的研究尚處在起步階段。

國科雷射與多年從事全固態雷射器研究的中科院物理所合作，對該所在國家973項目、863項目和中科院重大項目等支持下的，並通過863驗收、中科院院級成果鑑定的CW紅光全固態雷射器（國際領先）、多波段寬調諧全固態雷射器（國際首創）、CW綠光全固態雷射器（國內首創，國際先進）、QCW高光束質量全固態雷射器（國內領先）等科研成果進行接產。還與該所合作完成全固態高功率紅、綠、藍三基色雷射器，紫外全固態雷射器，高光束質量、高功率QCW全固態雷射器等項目，並研製成功國內第一台可調諧摻鈦藍寶石雷射器。

這是新型的一種全固態雷射器，包括諧振腔，其特徵在於所述諧振腔包括用作雷射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%。使用全固態雷射器實現了960nm雷射的輸出，該雷射屬於紅外波段，套用前景廣闊，例如，紅外雷射用於材料微加工、用於監測工業加工環境安全；紅外雷射還可套用於雷射焊接，可以製造出超過原材料硬度的焊接縫。