長光華芯泵浦源助推固體雷射器發展

近年來，雷射加工市場需求增長顯著，固體雷射器以其脈寬窄，輸出能量大，峰值功率高及材料吸收好等特點，在精細微加工和特殊材料加工領域表現出色，受到市場廣泛的好評與認可。

固體雷射在國防、加工、醫療和科學研究領域有著廣泛的用途，在工業領域，除了傳統的雷射打標、劃線、切割、鑽孔、材料去除、表面處理及特殊材料加工等應用外，近年來增材製造、新型顯示、UV雷射標識等新技術的發展進一步拓寬了固體雷射的應用領域。

圖1 華為Mate X手機

隨著華為Mate X 5G摺疊手機的推出，創造性的柔性屏技術和更高速通信手段將引領手機市場的新風向，這或帶動固體雷射市場的進一步增長。5G手機的天線及玻璃後蓋需要採用精細的超短脈衝雷射進行加工。OLED（有機發光二極體）作為一種新興的柔性顯示技術，在製造過程中對精度要求非常高。超短脈衝雷射冷切割工藝採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。

固體雷射器是一種通過諧振腔與摻雜晶體將泵浦光能量轉換為信號光的裝置，其中泵浦光主要由半導體雷射器提供。半導體雷射器是固體雷射器的核心器件之一。工業固體雷射的摻雜晶體大多摻雜稀土元素Nd3＋離子，常見的如Nd：YAG、Nd：YVO4等，其泵浦源多採用808nm波段或878nm波段的半導體雷射器。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係數與較寬的吸收光譜，是目前應用最廣泛的泵浦波段。但是，808nm泵浦源存在約0.3nm／℃的溫度漂移係數。當工作環境溫度發生變化時，泵源的中心波長將產生漂移，進而影響Nd：YVO4晶體對泵浦光的吸收效率，降低固體雷射器的光光轉換效率和輸出光功率。因此，固體雷射器工作時需要對泵浦源進行TEC溫度控制，這是目前已經很成熟的應用方案。經長光華芯多家用戶反饋，泵浦源的中心波長控制在808±3nm即可實現大於53％的光光轉換效率，滿足實際的使用需求。

Nd：YVO4在878.6nm波段的吸收係數較低且吸收譜寬較窄，但相比於808nm波段泵浦，其量子效率更高，相同泵浦注入功率下，產生的熱量將減少30％－50％，可有效降低高注入功率下的「熱效應」問題，獲得更好的光束質量和更高的輸出功率。但Nd：YVO4在878.6nm處吸收光譜較窄，即使採用TEC製冷的方式對泵源的波長進行控制，其光譜寬度仍無法保證晶體的有效吸收轉換。所以，工業固體雷射器在878.6nm波段一般選用波長鎖定的泵浦源產品。泵源波長鎖定後，光譜寬度可以收窄到小於1nm，同時中心波長基本不隨溫度變化，可以與878.6nm波段的吸收峰實現最佳匹配。由於878.6nm泵源需要波長鎖定，成本方面要高於808nm泵源。

圖3 長光華芯808nm／880nm光纖耦合模塊

長光華芯的高亮度808nm和878.6nm光纖耦合模塊，採用長光華芯量產的超大光腔808nm和880nm單管晶片，並通過精密的光學封裝和嚴苛的工藝過程控制，實現穩定可靠的光纖耦合輸出：

（1）808nm泵浦源產品，400μm輸出光纖芯徑輸出功率25W－120W（如圖4，5），波長範圍控制在±3nm，光譜寬度（FWHM）＜3nm，經客戶實測光光轉換效率達到53％。

（2）878.6nm波長鎖定泵浦源產品，400μm輸出光纖芯徑最高輸出140W（如圖6，7）。該產品採用外腔波長鎖定技術，可達到全電流範圍波長鎖定，即使客戶實際在低電流調試時使用，依然能夠保證中心波長穩定在吸收峰內，給調試和生產帶來極大的便利性。鎖定後的波長溫度漂移係數＜0.02nm／℃，光譜全寬＜1nm。

另外，長光華芯採用與工業光纖雷射器泵浦源相同的耦合模塊設計與工藝，使生產製造的固體雷射器泵浦源產品在工業環境中的可靠性同樣得以保證。

圖4 25W 400μm 808nm 光纖耦合模塊LIV與光譜數據

圖5 120W 400μm 808nm 光纖耦合模塊LIV與光譜數據

圖6 75W 400μm 878.6nm 光纖耦合模塊LIV與光譜數據

圖7 110W 400μm 878.6nm 光纖耦合模塊LIV與光譜數據

長光華芯用於固體雷射器泵浦的光纖耦合模塊可實現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部時，泵源能量在截面方向被晶體均勻吸收。相比於高斯光束光束能量集中在中心區域，平頂分布泵浦下晶體內的熱分布比較均勻，熱梯度較小，從而降低固體雷射器的熱透鏡效應，改善固體雷射器的輸出光束質量，提高光光轉換效率。

圖 8 長光華芯878.6nm光纖耦合泵浦源輸出光束能量分布

長光華芯的808nm與878.6nm光纖耦合固體雷射器泵浦源經過近兩年在客戶處的使用示範驗證，產品性能穩定可靠，光光轉換效率高，採用自主研發並量產的單管晶片，波長控制優異，具有高性價比的明顯優勢。