摘要：文章詳細分析了全固化固體(ti) 激光器(solid laser)的結構、特點、市場和應用前景。 

關(guan) 鍵詞：全固化固體(ti) 激光器(solid laser)，二極管泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)，光纖激光器

一、引言

    就武漢中國光穀產(chan) 業(ye) 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備又是能量光電子的核心產(chan) 品。自第一台紅寶石激光器問世，固體(ti) 激光器(solid laser)就一 直占據了激光器發展的主導地位，特別是在20世紀80年代出現的半導體(ti) 激光器以及在此基礎上出現的全固化固體(ti) 激光器(solid laser)更因為(wei) 體(ti) 積小、重量輕、效率高、性能穩 定、可靠性好和壽命長等優(you) 點，逐漸成為(wei) 光電行業(ye) 中最具發展前途的領域。目前世界範圍內(nei) 銷售的商品固體(ti) 激光器(solid laser)已有500餘(yu) 種，但從(cong) 1998年開始，固體(ti) 激光 器中的Nd:YAG激光器的市場占有率和銷售額已升為(wei) 第一位。 

    傳(chuan) 統的固體(ti) YAG激光器，通常由摻釹釔鋁石榴石晶體(ti) 棒、泵浦燈、聚光腔、光學諧振腔、電源及製冷係統組成，其轉換效率為(wei) 2%到3%。另一方麵整個(ge) 激光器需 要龐大的製冷係統，體(ti) 積很大。泵浦燈的壽命約為(wei) 300到1000小時，操作人員需花很多時間頻繁的換燈，中斷係統工作，使自動化生產(chan) 線的效率大大降低。因 此技術上沒有大的發展空間，全固化固體(ti) 激光器(solid laser)將取代燈泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)，這是固體(ti) 激光器(solid laser)的發展方向。近年來由於(yu) 大功率激光二極管製造工藝的成熟和生產(chan) 成本的 降低，使二極管泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)的研究得到了飛快的發展，且已正式進入商品化。世界著名的激光公司Rofin-Sinar所銷售的激光工業(ye) 加工設備中60％ 已是二極管泵浦的固體(ti) 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(ti) 激光器(solid laser)和燈泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)的特性比較

 特性  光纖激光器  二極管泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)  燈泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)  工作方式  連續或脈衝(chong)  連續或脈衝(chong)  連續或脈衝(chong)  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2KW/高達1mJ  高達2KW/高達60mJ  高達2KW/高100J  電光轉換效率  高達20%  高達20%  低於(yu) 6%  光束質量  基模*  基模或多階模  基模或多階模  功率/能量穩定性  < 1.5%  < 3%  < 3%  冷卻方式  風冷  風冷或水冷  水冷  可靠性  最佳  較好  較差  維護周期  無需維護  無需維護  300小時  使用壽命  大於(yu) 10萬(wan) 小時  大於(yu) 1.5萬(wan) 小時  大於(yu) 5千小時  係統體(ti) 積  小巧緊湊  較小  較大  光纖傳(chuan) 輸  單模光纖  多模光纖  多模光纖  成本  較高  較高  較低  技術  最新  新  舊

    * 輸出功率大於(yu) 100瓦時一般采用光纖束，但光束質量比所有其它激光器係統高一個(ge) 量級。

    與(yu) 傳(chuan) 統燈泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)比較，全固化固體(ti) 激光器(solid laser)具有以下優(you) 點：

    1)轉換效率高：由於(yu) 半導體(ti) 激光的發射波長與(yu) 固體(ti) 激光工作物質的吸收峰相吻合，加之泵浦光模式可以很好地與(yu) 激光振蕩模式相匹配，從(cong) 而光光轉換效率很高，已 達50％以上，整機效率也可以與(yu) 二氧化碳激光器相當，比燈泵固體(ti) 激光器(solid laser)高出一個(ge) 量級，因而全固化固體(ti) 激光器(solid laser)可省去笨重的水冷係統，體(ti) 積小，重量輕，結構緊 湊，易於(yu) 係統集成，性能價(jia) 格比高。

    2)性能可靠、壽命長：激光二極管的壽命大大長於(yu) 閃光燈，達 15000小時以上，而閃光燈的壽命隻有300-1000小時。激光二極管的泵浦能量穩定性好，比閃光燈泵浦優(you) 一個(ge) 數量級，性能可靠，可製成全固化器件。 運行壽命長，成為(wei) 至今為(wei) 止唯一無需維護的激光器，尤其適用於(yu) 大規模生產(chan) 線。

    3)輸出光束質量好：由於(yu) 二極管泵浦激光的高轉換效率，減少了激光工作物質的熱透鏡效應，大大改善了激光器的輸出光束質量，激光光束質量已接近理論極限M² = 1。

二、全固化固體(ti) 激光器(solid laser)結構及特點

    全固化固體(ti) 激光器(solid laser)可分為(wei) 兩(liang) 類：二極管泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)和光纖激光器。現將其結構和特點分別敘述如下。

    1.二極管泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)

    激光二極管泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)的種類很多，可以是連續的、脈衝(chong) 的、調Q的，以及加倍頻混頻等非線性轉換的。工作物質的形狀有圓柱和板條狀的。而泵浦的耦合方式 又分為(wei) 直接端麵泵浦、光纖耦合端麵泵浦和側(ce) 麵泵浦三種結構。泵浦所用的激光二極管或激光二極管陣列出射的泵浦光，經由會(hui) 聚光學係統將泵浦光耦合到晶體(ti) 棒 上，在晶體(ti) 棒的泵浦耦合麵上為(wei) 減少耦合損失而鍍有對激光二極管波長的增透膜。同時，該端麵也是固體(ti) 激光器(solid laser)的諧振腔的全反端，因而端麵的膜也是輸出激光的諧 振腔，起振後產(chan) 生的激光束由輸出鏡耦合輸出。

圖1 二極管直接端麵泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)示意圖

    實驗結果表明，與(yu) 其它兩(liang) 種泵浦方式相對比，端麵泵浦的效率最高。其原因為(wei) ：在泵浦激光模式不太差的情況下，泵浦光都能由會(hui) 聚光學係統耦合到工作物質中，耦 合損失較少；另一方麵，泵浦光也有一定的模式，而產(chan) 生的振蕩光的模式與(yu) 泵浦光模式有密切關(guan) 係，匹配的效果好，因此，工作物質用泵浦光的利用率也相對高一 些。然而，端麵泵浦雖然效率高，但固體(ti) 激光的輸出功率受端麵限製，因為(wei) 端麵較小時隻能采用單元的激光二極管，這就限製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，則由於(yu) 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中，實際上降低了效率。而且由於(yu) 泵浦光的模 式較為(wei) 複雜，泵浦後輸出的1.06μm激光的光束質量也不易保證。#p#分頁標題#e#

     針對這一弱點，人們(men) 又進一步發展了光纖耦合的端麵泵浦和側(ce) 麵泵浦方式。端麵泵浦激光器由激光二極管、兩(liang) 個(ge) 聚焦係統、耦合光纖、工作物質和輸出反射鏡組成。 與(yu) 直接端麵泵浦不同，這種結構首先把激光二極管發射的光束質量很差的激光耦合到光纖中，經過一段光纖傳(chuan) 輸後，從(cong) 光纖中出射的光束變成發散角較小的、圓對稱 的、中間部分光強最大的泵浦光束。用這一輸出的泵浦光去泵浦工作物質，由於(yu) 它和振蕩激光在空間上匹配得很好，因此泵浦效率很高。由於(yu) 激光二極管或二極管陣 列與(yu) 光纖間的耦合較與(yu) 工作物質的耦合容易，從(cong) 而降低了對器件調整的要求。而且最重要的是這種耦合方式能使固體(ti) 激光器(solid laser)輸出模式好、效率高。  

    側(ce) 麵泵浦板條固體(ti) 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，由於(yu) 陣列二極管的發光麵較大，不可能利用端麵泵浦，因 此，大多采用側(ce) 泵浦方式。這種結構的特點是，在工作板條的一側(ce) 用激光二極管陣列，另一側(ce) 是全反器，使泵浦光盡量集中到工作物質中。板條狀激光器結構的特點 是，激光通過工作物質介質全內(nei) 反射傳(chuan) 輸，這樣，激光經過工作物質的長度就大於(yu) 工作物質的外形長度，即提供了更長的有效長度。在有效長度內(nei) ，工作物質皆可直 接吸收到由激光二極管發射的泵浦光，從(cong) 而較易獲得大功率輸出，研究開發的重點就在於(yu) 發展大功率的端麵泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)，從(cong) 激光二極管發出的光束經光學耦合從(cong) 側(ce) 麵泵浦激光晶體(ti) ，從(cong) 而獲得單級輸出的激光；並可以根據所要得到的輸出功率要求而改變激光工作物質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(ce) 麵泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)示意圖

圖2（b）新加坡製造技術研究院研製的二極管側(ce) 麵泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)

    2.光纖激光器

     光纖激光器屬光波導激光器，以摻稀土元素（Nd，Yb或Er）的光纖為(wei) 工作物質，並用二極管激光作為(wei) 泵浦源。可脈衝(chong) 和連續運轉，其性能已明顯優(you) 於(yu) 二極管泵 浦固體(ti) 激光器(solid laser)，不僅(jin) 在光纖通訊領域得到廣泛應用，而且由於(yu) 大功率光纖激光器的成功開發，正向激光打標(laser marking)、焊接、切割等工業(ye) 激光應用領域迅速發展。

    光纖激光器基本結構和固體(ti) 激光器(solid laser)的結構基本相同，由泵浦源（激光二極管和必要的光學耦合係統）、增益介質（摻稀土元素的增益光纖）、諧振腔（可為(wei) 反射鏡、 光纖光柵或光纖環）等組成。按泵浦光的入射方式，光纖激光器可分為(wei) ：端麵泵浦光纖激光器、雙包層光纖激光器和任意形狀光纖激光器。 

圖3 IPG生產(chan) 的係列光纖激光器

    1)端麵泵浦光纖激光器

     端麵泵浦光纖激光器中的光纖與(yu) 普通光纖十分相似，僅(jin) 在纖芯摻以激光工作物質。與(yu) 二極管端麵泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)的泵浦方式相似，采用光學耦合係統將泵浦光直接耦 合到光纖的纖芯端麵上。通常情況下，兩(liang) 端麵也是激光諧振腔的全反鏡和輸出鏡。可以看出，這種結構簡單，但其泵浦端麵因麵積很小，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(men) 大多應用於(yu) 光通訊中。

    2)雙包層光纖激光器

    為(wei) 了克服端麵泵浦光纖激光器注入功率小的問題，人們(men) 發明了雙包層光纖激光器。它主要由纖芯、內(nei) 包層、外包層和保護層組成。纖芯采用了稀土摻雜技術，為(wei) 激光 增益介質，稀土離子吸收泵浦光並輻射單模激光，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(nei) 外包層界麵形成全反射，這樣，泵 浦光在多次反射後，多次穿過內(nei) 包層和纖芯，使纖芯吸收率大大增加，可達90%以上。這種泵浦方式與(yu) 二極管泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)的側(ce) 麵泵浦方式很相似，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(wei) 了克服雙包層光纖激光器輸出功率受到限製，進一步提高輸出功率，日本學者率先開發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構，大大增加了泵浦光的利用麵積，其有效利用麵積比纖芯端麵和包層端麵大得多。根據光纖的排放方式不同，這類光纖激光器又可分為(wei) 盤狀、 片狀、圓柱狀、環狀和棒狀等不同結構的光纖激光器。

三、全固化固體(ti) 激光器(solid laser)市場和應用展望

    根據《Laser Focus World》報道，2002年全球商用激光器產(chan) 值為(wei) 43億(yi) 美元，其中，非二極管激光市場為(wei) 44%，預計2003年全球商用激光產(chan) 值48億(yi) 美元，其中非二極 管激光市場占領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(ti) 激光器(solid laser)中，二極管泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)仍然占主導地位。 從(cong) 2002年的銷售到2003年的銷售預測來看，全球非二極管激光產(chan) 值平均增長為(wei) 5.9%，燈泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)增長為(wei) 5.83%，而二極管泵浦固體(ti) 激光器(solid laser)增 長卻高達12%，表明全固化固體(ti) 激光器(solid laser)正快速增長，逐步在市場中成為(wei) 主導產(chan) 品。表5給出了1999-2001年國內(nei) 激光產(chan) 品的銷售情況，可以看出，固體(ti) 激 光器銷售額遠大於(yu) 氣體(ti) 激光器的銷售額，但全固化固體(ti) 激光器(solid laser)的銷售額未見報道，其研究和開發還遠落後於(yu) 世界水平，其主要原因應歸咎於(yu) 我國大功率半導體(ti) 激光器 水平的落後。2001年國內(nei) 激光產(chan) 品銷售額為(wei) 28.39億(yi) 元，僅(jin) 湖北產(chan) 值就為(wei) 15.64億(yi) 元，顯示武漢中國光穀在能量光電子方麵的強大實力。

表2 全球商用激光器市場（億(yi) 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(ti) 激光器(solid laser)中的應用（億(yi) 美元）

    1999年  2000年  2001年  2002年  2003年  千台  51.8  71.4  88.8  122.8  144.1  百萬(wan) 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  準分子  #p#分頁標題#e#二極管激光  封離式CO2  合計  2002年（億(yi) 美元）  6.18  4.35  3.75  1.92  1.12  18.8  2003年（億(yi) 美元）  6.54  4.57  4.01  2.15  1.12  19.9  2002年（台）  13281  2960  1405  9278  12355  113021  2003年（台）  13880  3110  1630  10430  12565  112506

表5 1999-2001年全國激光產(chan) 品銷售額按主要激光器件分類統計（萬(wan) 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  氦氖激光器及應用  1926.3  -32.7%  2179.6  13.2%  2634.45  20.9%  CO₂激光器及應用  12018.9  38.7%  15201.8  26.5%  31942.5  110.1%  YAG激光器及應用  25635.1  -4%  49639  93.6%  66288.6  33.5%  半導體(ti) 激光器及應用  39249.4  164.6%  67612.6  72.3%  156974.8  132.2%

     由於(yu) 高功率全固化固體(ti) 激光器(solid laser)的相繼成熟，其應用領域也已從(cong) 最成熟的光通訊方麵向其它更為(wei) 廣闊的激光應用領域擴展，如材料加工中的激光標記、激光焊接、激光打孔和激光切割(laser cutting)等，其它領域如激光醫學、激光檢測和測量等。下圖給出了國外生產(chan) 的光纖激光打標(laser marking)機