雷射二極體泵浦固體雷射器的發展與應用

2020-11-28 OFweek維科網

　　雷射二極體泵浦雷射器是近年來國際上發展最快,應用較廣的新型雷射器。他的發展與半導體雷射器發展密不可分。1960年第一臺紅寶石雷射器的問世。1962年第一隻同質結砷化鎵半導體雷射器問世。1963年，紐曼首次提出了用半導體作為固體雷射器的泵浦源的構想。隨著LD輸出功率不斷增強，1968年Ross第一次實現了採用GaAs雷射二極體泵浦Nd:YAG雷射器。1973年首次報導了脈衝工作的LD端面泵浦Nd:YAG雷射器，並指出端面泵浦的諸多優點。Chesler和Singh給出端面泵浦雷射器在多橫模和單橫模工作狀態下的理論模型，並在假定均勻泵浦的前提下求得的理論泵浦閾值與實驗結果基本符合。1976年，實現了用超發光二極體端面泵浦的Nd:YAG雷射器在室溫下連續運行。20世紀80年代以來，半導體雷射器及其陣列的研究工作取得重大突破，極大的推動了固體雷射器件、技術和應用的發展，並帶動了固體雷射器的全面復興。隨著量子阱結構的出現和金屬有機物化學汽相澱積(MOCVD)、分子束外延(MBE)等晶體生長技術的逐漸成熟，使LD的閾值電流明顯降低，轉換效率和輸出功率和有了較大幅度的提高，單條半導體雷射器列陣輸出功率達1W到2W。單個LD連續輸出功率達到100mw到200mw.90年代，雷射二極體的生產技術和製作工藝逐漸成熟，使用壽命、可靠性都有很大的提高，其中DPL的發展及應用研究的新進展尤為突出。1992年美國勞侖茲-裡弗莫爾國家實驗室成功研製的千瓦級高功率二極體泵浦雷射器。1994年美國能源部宣布批准實施了"國家點火設施"計劃。2001年Akiyama等人利用三向側面泵浦Nd:YAG雷射器獲得5.4kW的雷射輸出，電-光轉換效率達22%。2002年美國TRW公司研製出了5.4kW輸出的雷射二極體泵浦Nd:YAG雷射器。2006年美國諾格公司成功實現了19kW雷射輸出。總之，DPL在固體雷射器中最有活力和發展前途。

　　由於二極體泵浦雷射器具有可獲得高功率、高光束質量輸出、熱效應小、效率高和器件結構緊湊等優點，成為信息技術的關鍵器件。其應用範圍之廣、波長覆蓋範圍之寬、發展速度之快都是其他類型的雷射器所不能比擬的。

　　目前，二極體泵浦固體雷射器應用的領域非常的廣泛，如軍事、醫學、工業等眾多領域。

　　在軍事領域的應用：隨著雷射器輸出功率的不斷提高，光束質量的逐步改善，DPL在軍事領域的應用越來越廣泛。隨著關鍵技術取得重大突破，高能雷射器武器成為一種具有直接殺傷力的新型武器。2002年美國成功將0.5kW全固態雷射器裝載在機動戰車上，用於軍事掃雷，名為宙斯的掃雷戰車憑藉其體積小、安全性、高可快速移動性、掃雷速度快受到美國軍方的好評。高功率雷射武器具有精度高、速度快、低汙染、機動靈活等優點，在光電對抗、雷射軟硬殺傷、雷射致盲等領域有廣泛的應用前景。美國軍方在軍事發展規劃中制定了對各平臺高能雷射武器的發展戰略，包括地基、天基高能雷射武器發展規劃、艦載高能雷射武器發展規劃和機載高能雷射武器發展規劃。美國空軍的機載雷射技術和陸軍機動戰術高能雷射計劃都看好二極體泵浦雷射器，並先以20kW為階段目標，再實現100kW的目標。

　　在醫療領域的應用：雷射在皮膚美容、口腔科、耳鼻喉科、外科、眼科、神經外科、心血管科等得到了廣泛的應用。雷射治療儀器的優點是：精確、可控，處理過的創面創傷小、出血少、非接觸無感染，並且對切口周圍組織的損傷程度極小。醫用雷射器主要要求穩定和使用壽命較長。通過倍頻和混頻，LD或者閃光燈泵浦的Nd：YAG雷射器可以實現多波長轉換，通過光纖傳輸進行外科手術。但是由於固體雷射介質的熱致畸變和閃光燈的老化將導致光強具有較大起伏，使得它的光束質量變差，而且需要使用龐大的供電和水冷系統，這些都限制了它的使用範圍。由於生物組織的80％由水組成，LD泵浦摻Er、Tm、Ho，波長在2～3nm的中紅外固體雷射能被生物組織強吸收，滲透深度比較淺，也不會發生炭化現象和引起分子鍵斷裂，是心血管手術和近視眼開刀的理想醫用雷射器。未來醫療雷射設備將向著更高能量、更易於操作、更穩定、更精密等方向發展。

　　在工業加工領域的應用：DPL在雷射加工領域的應用主要有雷射焊接、切割、快速成型和表面處理等。許多發達國家的加工行業進入了雷射加工時代。如德國的雷射加工裝備一直處在世界領先地位，尤其是在汽車配件和汽車製造行業中，廣泛採用雷射加工技術。福特汽車公司在1973年就率先將雷射焊接系統引入了其汽車組裝線並使用於焊接汽車車身底板。在日本整個加工製造業的10％以上都是雷射加工，日產汽車利用雷射的光束處理鋼板表面然後進行噴漆處理，不僅讓車體表面的光澤度提高了，而且油漆不容易脫落。美國福特汽車公司、義大利菲亞特汽車公司、通用汽車公司等都在切割焊接環節使用了雷射器系統。目前二氧化碳雷射器和燈泵固體雷射器普遍在高功率雷射加工中採用，由於價格因素的限制，高功率全固態雷射器的應用剛剛起步。國內高功率雷射應用於工業加工起步晚，但發展很快，高功率全固態雷射器用於工業加工將帶來巨大的經濟和社會效益，大幅度提升我國工業加工的國際競爭力。由於在軍艦、航母、潛艇等船舶的器製造過程中，需要對各種複雜形狀的厚鋼板進行切割、焊接和表面處理等加工。近年來，歐美等發達國家將固體雷射的加工技術引入了船體的分段製造、拼接總裝製造的過程中，並且廣泛採用了雷射焊接的精密網狀合金鋼結構來加強船體並減輕重量的技術。採用雷射加工技術能大幅度提高加工強度、製造精度和生產效率。隨著全固態雷射器的功率的不斷提高、價格不斷下降以及新工藝、新材料的湧現，全固態雷射器加工技術將會更多的被應用到加工領域，逐漸替代傳統的燈泵雷射器和氣體雷射器。
 

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