發布日期：2022-10-09 點擊率：96
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,由于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。并且，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。近年來，由于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，并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占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。由于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，采用全固態激光器已成為激光加工設備的趨勢和主流方向。
一、國外發展概況
目前，美國、日本、德國3個國家激光產業的發展代表了當今世界激光產業發展的趨勢。日本在光電子技術方面占首位，在激光醫療及激光檢測方面，美國占首位，而在激光材料加工設備方面則是德國占首位。
半導體激光泵浦的全固態激光器已是工業用激光設備的核心器件，也可以單獨作為激光器應用。
目前，國外千瓦級全固態激光器系統已有諸多報道，休斯航天航空實驗室的研究人員們用側面泵浦棒狀Yb:YAG晶體獲得了0.95kW的大功率輸出。日本在2005年實現輸出平均功率大于等于10kW,電光效率大于等于20%的高功率全固態激光器。國外工業發達國家，全固態激光器已開始成為工業用標準激光器。據文獻報道：國外全固態激光器商品級單腔輸出激光功率1.1kW，最高輸出功率6kW以上。ROFIN公司已有千瓦級大功率全固態激光器及系統；相干公司、光譜物理公司、Lightwave electronics公司等都有多品種、多系列的全固態激光器出售。美國Lee Laser是世界一流的高功率50～100W 532nm綠激光的生產商，產品廣泛應用于原晶的激光加工和處理。總體來說，國外全固態激光器技術及應用設備工程化水平高，產品已趨向成熟。
在大功率全固態紅色激光器問世后，大功率全固態藍、綠激光器的相繼問世，為彩色激光電視的發展奠定了基礎。微電子技術及精密加工技術的發展使得激光大屏幕顯示技術走向實用化。俄羅斯、美國、德國等相繼成功開發了高功率激光顯示系統、激光電視、激光數字影院等。高功率激光顯示系統的功率已達到20W的水平，顯示圖像的面積大于10m2。隨著技術的發展，全固態激光器的輸出功率還將越來越大；另一方面，為了適應激光電視的發展，全固態激光器的體積將越來越小。當前激光電視正進入產業化的前期，產業化的高潮即將興起。
全固態紫外激光器的發展和應用是當前國內外最引人關注的亮點之一，全固態紫外激光器與傳統的準分子紫外激光器相比較，具有體積小、效率高、壽命長、光束質量好、無毒、不需要更換特殊氣體、價格便宜等許多優點，在國外，全固態紫外激光器已成為激光劃片、微細鉆孔等微電子加工的最理想激光源。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激光器，特別是中大功率全固態紫外激光器的開發應用。由于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、激光精密加工有著廣泛推廣應用的趨勢。目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，平均功率大于3W，在355nm,40kHz時，平均功率大于10W；光譜物理公司的YHP-series系列激光器也達到在266nm,20kHz時，平均功率大于1.5W，在355nm,20kHz時，平均功率大于3.5W；Lightwave electronics公司所推出的 Q301-SM激光器也達到了在355nm,10kHz時，平均功率大于10W的技術指標。總體來說，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。
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于激光醫療、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（大于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。目前，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。
二、國內研究進展
全固態激光器的發展方向大體為：輸出功率為微/小/中型的器件將沿著多樣化、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，如目前正待發展的熱容運轉技術和功率合成技術。
目前，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，已研制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。并用自行研制的全固態高功率紅、綠、藍三基色激光器為光源，于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年成功研制出60激光家庭影院、84及140大屏幕激光顯示樣機。先后參加了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，并通過863驗收、中科院院級成果鑒定的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，并研制成功國內第一臺可調諧摻鈦藍寶石激光器。
中國科學院和中國工程物理研究院從20世紀80年代開始聯合攻關，承擔了“神光”系列激光系統的研制和ICF物理實驗，取得了國際矚目的成就。其中，“神光-Ⅰ”激光裝置于1986年建成，達到國際同類裝置的先進水平。“神光-Ⅰ”連續運行8年，在ICF和X射線激光等前沿領域取得了一批國際一流水平的物理成果。90年代又研制小型的“星光II”激光裝置和“神光-Ⅱ”激光裝置現已投入運行，總體技術性能進入世界前五位。1995年，ICF在國家863計劃中立項為“慣性約束聚變”主題，在中國工程物理研究院開始研制“神光-Ⅲ”激光裝置。
盡管“神光III”激光裝置的規模比美國目前在建的NIF要小許多，但“神光III”的建設集中了當前國內最先進的光學、激光、精密機械及計算機控制等系統為一體的綜合性高科技工程項目。國科激光與中國工程物理研究院合作為“神光III”激光裝置研制預放系統。
目前，在國內，國科激光屬于具有很好的研究基礎和產業化生產技術，是國內知名的高新技術型企業，已成功的掌握了大功率全固態激光器的核心制造技術，并制定了全固態激光器的企業標準，將此技術向產業化方向發展，必然會給激光技術的應用帶來革命性的變革。
三、市場發展前景
目前，美國、日本、德國等國家在制造業，如電子、醫療、汽車、航空、航天、等領域已基本完成傳統工藝的更新換代，步入“光加工”時代。
近年來由于半導體激光的迅速發展，使半導體激光泵浦的全固態激光器加工設備所占的市場份額越來越大。德國Rofin激光公司所銷售的激光加工設備中60%已是全固態激光器。
根據相關統計，國外全固態激光器產業2004年銷售額已達近百億美元，其中產品銷售額的29%用于激光標記，15%用于激光微加工。全球全固態激光器加工系統年增長率約為23%，而全固態激光器是激光器加工系統的核心部件，市場需求也將同步增長，其年需求增長率將達到20%以上。因此，全固態激光器的發展趨勢很好，市場前景非常廣闊。
據《Laser Focus》雜志和《Laser Report》雜志的預測，目前全世界全固態激光器的需求量至2008年可達到20萬臺。這一需求量每年以20%以上的速度增加，每年實際的市場銷售達到市場容量的90％，其中對大功率全色激光器的需求將是一個大的增長點。
近年來中國激光市場呈現出穩定、高速增長的態勢。自1999-2005年，中國激光產品市場銷售情況分別為：14.13億、19.11億、32.4億、28.62億、36.89億、42.32億、47.75億元人民幣。在整個中國的激光產業中，激光材料加工近幾年的發展勢頭強勁，且有很大的空間，激光加工在中國激光產業中占的比例也是日益重大。在看到行業迅猛發展的同時，我們還應該看到我國激光產業起步晚、基礎薄弱，與世界領先國家的差距還很大。例如：與國際上激光加工系統相比，我國的激光加工系統差距甚大，僅占全球銷售額的2%左右。主要表現為：高檔激光加工系統很少，甚至沒有；主力激光器不過關；微細激光加工裝備缺口較大。這些領域我國的生產企業正在積蓄力量穩步進入，國內應用市場有很大發展空間。
側面泵浦全固態激光器可以單獨作為1064nm激光器使用或是作為核心器件普遍被應用在激光打標機、激光劃片機、激光內雕機及其它應用系統中。根據統計，目前國內僅打標機及雕刻機的生產廠家就達100多家，年生產能力達到2000～5000套。應用系統對固體激光器需求量應在4000套以上，總銷售額將達2億元以上。由于全固態激光器具有高穩定性、高功率、壽命長等優勢，其中約有60%將采用全固態激光器，其年需求量應在2000～3000套。國內市場主要集中在深圳、北京、上海、武漢、天津等激光加工產業比較發達的大中城市及其周邊地區。根據上述全固態激光器的年需求量約在3000套左右。
藍、綠DPL當前國際市場商品價格約1萬美元/W，如CW（連續）532 nm器件，10W價格為10萬美元，5W約5萬美元，藍、綠光的國際需求很大， Laser Focus World雜志預計為20億美元/a。
紫外355nm DPL 目前國際市場價格約為2萬美元/W，并且，目前中大功率的全固態紫外激光器的市場份額全部被國外占據，建立自主全固態紫外激光產品產業迫在眉睫。
目前，國內對半導體激光列陣單光纖耦合模塊及其應用系統的研究尚處在初級階段，國內市場主要是被進口產品所占領。由于近年國內半導體激光列陣單光纖耦合模塊隨經濟發展需求量保持強勁的上升狀態，國內市場需求量較大，市場前景廣闊。
據中國光學光電子行業協會(COEMA)激光分會的統計, 2002年全國激光加工系統設備產值首次突破10億元,達到10.355億元,比2001年增長65%。2002年全球激光加工市場銷售額為29.9億美元（約260億人民幣）,兩者相比,中國約占1/26。工業激光加工設備首先在中國國內經濟較發達、較活躍地區獲得快速應用。例如，在廣東省于2002年底約有1500多臺CO2和Nd:YAG激光打標機,用于PC鍵盤等其他元器件的加工；約有100多臺激光劃片機用于太陽能電池晶片和芯片的加工；例如,浙江省橋頭鎮用于衣服紐扣打標的激光打標機已有100多臺,該小鎮生產的衣扣占全球衣扣市場的40％多。國內激光打標占國內工業激光市場45.3％,并且主要應用于輕工業品、小五金工業品等領域。這表明國內激光打標將要占領的應用領域很大。
目前，國內激光設備廠商主要以提供低端設備為主，激光器也以傳統的燈泵YAG固體激光器和低端的CO2激光器為主。各種激光加工設備中的很多關鍵器件都需要進口。雖然中國激光技術研究一直處于世界前列，但是激光產業發展確實與國際先進水平的差距懸殊。例如，國際上汽車制造業中的激光應用早已非常普遍，而國內所有的汽車生產線都是采用國外的激光加工設備。
目前，半導體器件制作單位對紫外劃片機顯示出強烈的需求愿望，但進口價格昂貴，且售后服務不盡人意，時間無法保證。作為激光加工產品對可靠性要求很高，若產生故障沒有3個月是無法修復的，而國外公司對這類激光器技術是絕對保密的，絕不可能將維修放在國內。激光劃片機市場需求量按目前市場估算，一般傳統激光劃片機銷量為100臺/a，其中將有60%為基頻高光束質量全固態激光器或紫外全固態激光器所替代。因此，盡快研制開發出自己的高性能全固態紫外激光器及劃片機產品，特別是將其盡快產業化，并帶動相關產業實現技術跨越，進入高端領域，這無論從技術創新上來說，還是從提高產品檔次，擴展出口品種，占領國際市場方面來說，都有重要的意義。
國內激光加工應用市場巨大，而這個市場自加入WTO以來，正在迅速形成的“全球制造基地” 而獲得快速增長。國內外投資者和激光業者正在搶占這一市場。因此，國內的激光加工應用市場將迅速增長，激光加工技術產業化應加速實現。國內從事全固態激光器和激光加工技術系統研發、生產和經營的企業正面臨極好機遇和挑戰。
但目前國內激光加工設備制造所用的全固態激光基本依靠進口，購買價格昂貴且售后服務滯后，使工業化應用受到很大制約，嚴重地影響了我國激光加工制造業的快速發展，成為制約我國激光加工行業的瓶徑之一。現階段，我國激光技術的發展正處于一個關鍵的抉擇時刻，將對我國今后激光技術和激光產業的發展產生深遠的戰略性影響。為了促進全固態激光器及應用系統的產業化和制造水平的發展，提升我國激光技術水平和國際競爭力，滿足國內對可靠穩定的激光技術和器件的急切需求，在“十一五”期間，有必要加強在全固態激光器及應用系統產業化的技術再創新，以全固態激光器件的產業化為起點，提高全固態激光器件的穩定性和可靠性，滿足國家在制造業、醫學、科研、國防等的需求，打造擁有自主知識產權的品牌全固態激光器及應用系統；解決工程化關鍵技術與共性技術，推動激光技術產業的發展，根據市場需要研究和開發，全固態激光器及應用系統新產品，努力創造中國名牌產品，為我國激光應用領域，提供穩定、可靠的全固態激光器及應用系統。
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