全固態激光器

高功率、小型化的全固態藍綠激光器在海洋探測、水下通信等軍事領域或者醫學方面都具有重要的地位，這些應用一般都需要高功率藍綠激光。常用的1064 nm Nd∶YAG激光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激光技術界的研究熱點。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激光輸出經摻Nd磷酸鹽玻璃放大器放大後的1053 nm激光脈衝，在基波功率密度為200 MW/c。

半導體激光泵浦的全固態激光器是20世紀80年代末期出現的新型激光器。全固態激光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，半導體激光器泵浦技術為固體激光器注入了新的生機和活力，使全固態激光器同時具有固體激光器和半導體激光器的雙重特點，它的出現和逐漸成熟是固體激光器的一場革命，也是固體激光器的發展方向。並且，它已滲透到各個學科領域，例如：激光信息存儲與處理、激光材料加工、激光醫學及生物學、激光通訊 、激光印刷、激光光譜學、激光化學、激光分離同位素、激光核聚變、激光投影顯示、激光檢測與計量及軍用激光技術等，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。

全固態激光器是其應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，由於大功率半導體激光器迅速發展，促成全固態激光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，傳統燈泵浦固體激光器的賴以佔據世界激光器市場主導地位的所有運轉方式，均可以通過半導體激光器泵浦成功地加以實現。通常應用在激光打標機、激光劃片機、激光切割機、激光焊接機、激光去重平衡、激光蝕刻等系統中。由於全固態激光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，採用全固態激光器已成為激光加工設備的趨勢和主流方向。 ^[1] 

全固態激光器（DPL，Diode Pumped solid state Laser）是指以半導體激光器（LD）作為泵浦源的固體激光器，相對於只要求工作物質為固體激光材料的傳統固體激光器，DPL的激光工作物質、激勵源等部分均由固體物質構成，它集中了傳統固體激光器和半導體激光器的優勢於一身，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）、易智能化、無污染等優點，成為最具潛力的新一代激光源之一。

按泵浦方式來分類，全固態激光器可分為端面泵浦、側面泵浦和混合泵浦等類型。一般來説，中小功率的激光器多采用端面泵浦方式，可得到比較好的光束質量；而高功率的激光器多采用側面泵浦或混合泵浦方式，但光束質量比較差。近來，隨着泵浦技術研究的不斷髮展和成熟，也有人採用特殊技術、利用側泵方式獲得了高光束質量的激光輸出，及利用端泵方式實現高功率的報道。

按工作物質形狀來分類，全固態激光器常被分為以下幾種：棒狀激光器、板條激光器， 盤片激光器和光纖激光器等。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激光輸出。

DPL具有的獨特優勢以及廣闊的應用前景，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激光器的單位。

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激光輸出，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），又便於模塊化和電激勵，因此已成為激光技術的重要發展方向，是最具潛力的新一代激光源之一，應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。 ^[2] 

美國、德國、特別是日本都在加大力量發展全固態紫外激光器，特別是中大功率全固態紫外激光器的開發應用。由於1064nm或532nm波長激光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、硅片等）在加工時會引起碎裂，因此，全固態紫外激光器在激光微加工、激光精密加工有着廣泛推廣應用的趨勢。當前國外工業發達國家，全固態紫外激光器已開始成為工業用標準激光器。據文獻報道：日本M.Nishioka公司已研發出40W的266nm全固態紫外激光器；三菱公司也在市場上推出了18W 355nm 25kHz全固態紫外激光器產品；另外相干公司的AVIV系列激光器已做到在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系列激光器也達到在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激光器也達到了在355nm，10kHz時，平均功率大於10W的技術指標。總體來説，國外全固態紫外激光器技術及應用設備已趨向成熟，但價格昂貴。 ^[2] 

高功率半導體激光列陣單光纖耦合模塊可直接作為光源廣泛應用於激光醫療、信息產業、激光加工、國防工業、激光武器和戰術裝備等領域。作為泵浦光源將是泵浦全固態激光器的核心器件，是一種高光－光轉換效率（大於30%）的高功率泵浦全固態激光器的商用半導體激光光源模塊，是替代燈泵浦激光器的理想產品。當前，國外半導體激光器單根光纖耦合模塊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塊產品水平如：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。 ^[2] 

全固態激光器的發展方向大體為：輸出功率為微/小/中型的器件將沿着多樣化、智能化、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，而戰略性應用的高能全固態激光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。 ^[2] 

當前，國內大功率全固態激光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激光、全固態寬調諧飛秒激光器、深紫外至中紅外全固態激光器。並用自行研製的全固態高功率紅、綠、藍三基色激光器為光源，於2002年在國內首次實現全固態激光全色顯示，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激光家庭影院、84及140大屏幕激光顯示樣機。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激光技術及應用系統的研究尚處在起步階段。

國科激光與多年從事全固態激光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紅光全固態激光器（國際領先）、多波段寬調諧全固態激光器（國際首創）、CW綠光全固態激光器（國內首創，國際先進）、QCW高光束質量全固態激光器（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、藍三基色激光器，紫外全固態激光器，高光束質量、高功率QCW全固態激光器等項目，並研製成功國內第一台可調諧摻鈦藍寶石激光器。

這是新型的一種全固態激光器，包括諧振腔，其特徵在於所述諧振腔包括用作激光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%。使用全固態激光器實現了960nm激光的輸出，該激光屬於紅外波段，應用前景廣闊，例如，紅外激光用於材料微加工、用於監測工業加工環境安全；紅外激光還可應用於激光焊接，可以製造出超過原材料硬度的焊接縫。 ^[2]