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

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

一、引言

    就武漢中國光谷產業而言，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品。自第一臺紅寶石激光器問世，固體激光器(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年代出現的半導體激光器以及在此基礎上出現的全固化固體激光器(solid laser)更因為體積小、重量輕、效率高、性能穩 定、可靠性好和壽命長等優點，逐漸成為光電行業中最具發展前途的領域。目前世界范圍內銷售的商品固體激光器(solid laser)已有500余種，但從1998年開始，固體激光 器中的Nd:YAG激光器的市場占有率和銷售額已升為第一位。 

    傳統的固體YAG激光器，通常由摻釹釔鋁石榴石晶體棒、泵浦燈、聚光腔、光學諧振腔、電源及制冷系統組成，其轉換效率為2%到3%。另一方面整個激光器需 要龐大的制冷系統，體積很大。泵浦燈的壽命約為300到1000小時，操作人員需花很多時間頻繁的換燈，中斷系統工作，使自動化生產線的效率大大降低。因 此技術上沒有大的發展空間，全固化固體激光器(solid laser)將取代燈泵浦固體激光器(solid laser)，這是固體激光器(solid laser)的發展方向。近年來由于大功率激光二極管制造工藝的成熟和生產成本的 降低，使二極管泵浦固體激光器(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所銷售的激光工業加工設備中60％ 已是二極管泵浦的固體激光器(solid laser)。表1給出了三類激光器的特性比較。

表1 光纖激光器、二極管泵浦固體激光器(solid laser)和燈泵浦固體激光器(solid laser)的特性比較

 特性  光纖激光器  二極管泵浦固體激光器(solid laser)  燈泵浦固體激光器(solid laser)  工作方式  連續或脈沖  連續或脈沖  連續或脈沖  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%  低于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  大于10萬小時  大于1.5萬小時  大于5千小時  系統體積  小巧緊湊  較小  較大  光纖傳輸  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

    * 輸出功率大于100瓦時一般采用光纖束，但光束質量比所有其它激光器系統高一個量級。

    與傳統燈泵浦固體激光器(solid laser)比較，全固化固體激光器(solid laser)具有以下優點：

    1)轉換效率高：由于半導體激光的發射波長與固體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激光振蕩模式相匹配，從而光光轉換效率很高，已 達50％以上，整機效率也可以與二氧化碳激光器相當，比燈泵固體激光器(solid laser)高出一個量級，因而全固化固體激光器(solid laser)可省去笨重的水冷系統，體積小，重量輕，結構緊 湊，易于系統集成，性能價格比高。

    2)性能可靠、壽命長：激光二極管的壽命大大長于閃光燈，達 15000小時以上，而閃光燈的壽命只有300-1000小時。激光二極管的泵浦能量穩定性好，比閃光燈泵浦優一個數量級，性能可靠，可制成全固化器件。 運行壽命長，成為至今為止唯一無需維護的激光器，尤其適用于大規模生產線。

    3)輸出光束質量好：由于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、全固化固體激光器(solid laser)結構及特點

    全固化固體激光器(solid laser)可分為兩類：二極管泵浦固體激光器(solid laser)和光纖激光器。現將其結構和特點分別敘述如下。

    1.二極管泵浦固體激光器(solid laser)

    激光二極管泵浦固體激光器(solid laser)的種類很多，可以是連續的、脈沖的、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 又分為直接端面泵浦、光纖耦合端面泵浦和側面泵浦三種結構。泵浦所用的激光二極管或激光二極管陣列出射的泵浦光，經由會聚光學系統將泵浦光耦合到晶體棒 上，在晶體棒的泵浦耦合面上為減少耦合損失而鍍有對激光二極管波長的增透膜。同時，該端面也是固體激光器(solid laser)的諧振腔的全反端，因而端面的膜也是輸出激光的諧 振腔，起振后產生的激光束由輸出鏡耦合輸出。

圖1 二極管直接端面泵浦固體激光器(solid laser)示意圖

    實驗結果表明，與其它兩種泵浦方式相對比，端面泵浦的效率最高。其原因為：在泵浦激光模式不太差的情況下，泵浦光都能由會聚光學系統耦合到工作物質中，耦 合損失較少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而產生的振蕩光的模式與泵浦光模式有密切關系，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，端面泵浦雖然效率高，但固體激光的輸出功率受端面限制，因為端面較小時只能采用單元的激光二極管，這就限制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，則由于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。而且由于泵浦光的模 式較為復雜，泵浦后輸出的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，人們又進一步發展了光纖耦合的端面泵浦和側面泵浦方式。端面泵浦激光器由激光二極管、兩個聚焦系統、耦合光纖、工作物質和輸出反射鏡組成。 與直接端面泵浦不同，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，經過一段光纖傳輸后，從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，由于它和振蕩激光在空間上匹配得很好，因此泵浦效率很高。由于激光二極管或二極管陣 列與光纖間的耦合較與工作物質的耦合容易，從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激光器(solid laser)輸出模式好、效率高。  

    側面泵浦板條固體激光器(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，由于陣列二極管的發光面較大，不可能利用端面泵浦，因 此，大多采用側泵浦方式。這種結構的特點是，在工作板條的一側用激光二極管陣列，另一側是全反器，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反射傳輸，這樣，激光經過工作物質的長度就大于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，工作物質皆可直 接吸收到由激光二極管發射的泵浦光，從而較易獲得大功率輸出，研究開發的重點就在于發展大功率的端面泵浦固體激光器(solid laser)，從激光二極管發出的光束經光學耦合從 側面泵浦激光晶體，從而獲得單級輸出的激光；并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）二極管側面泵浦固體激光器(solid laser)示意圖

圖2（b）新加坡制造技術研究院研制的二極管側面泵浦固體激光器(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）的光纖為工作物質，并用二極管激光作為泵浦源。可脈沖和連續運轉，其性能已明顯優于二極管泵 浦固體激光器(solid laser)，不僅在光纖通訊領域得到廣泛應用，而且由于大功率光纖激光器的成功開發，正向激光打標(laser marking)、焊接、切割等工業激光應用領域迅速發展。

    光纖激光器基本結構和固體激光器(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系統）、增益介質（摻稀土元素的增益光纖）、諧振腔（可為反射鏡、 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：端面泵浦光纖激光器、雙包層光纖激光器和任意形狀光纖激光器。 

圖3 IPG生產的系列光纖激光器

    1)端面泵浦光纖激光器

     端面泵浦光纖激光器中的光纖與普通光纖十分相似，僅在纖芯摻以激光工作物質。與二極管端面泵浦固體激光器(solid laser)的泵浦方式相似，采用光學耦合系統將泵浦光直接耦 合到光纖的纖芯端面上。通常情況下，兩端面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，但其泵浦端面因面積很小，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，它們大多應用于光通訊中。

    2)雙包層光纖激光器

    為了克服端面泵浦光纖激光器注入功率小的問題，人們發明了雙包層光纖激光器。它主要由纖芯、內包層、外包層和保護層組成。纖芯采用了稀土摻雜技術，為激光 增益介質，稀土離子吸收泵浦光并輻射單模激光，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，使泵浦光在內外包層界面形成全反射，這樣，泵 浦光在多次反射后，多次穿過內包層和纖芯，使纖芯吸收率大大增加，可達90%以上。這種泵浦方式與二極管泵浦固體激光器(solid laser)的側面泵浦方式很相似，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

    為了克服雙包層光纖激光器輸出功率受到限制，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面積，其有效利用面積比纖芯端面和包層端面大得多。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值為43億美元，其中，非二極管激光市場為44%，預計2003年全球商用激光產值48億美元，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，在全固化固體激光器(solid laser)中，二極管泵浦固體激光器(solid laser)仍然占主導地位。 從2002年的銷售到2003年的銷售預測來看，全球非二極管激光產值平均增長為5.9%，燈泵浦固體激光器(solid laser)增長為5.83%，而二極管泵浦固體激光器(solid laser)增 長卻高達12%，表明全固化固體激光器(solid laser)正快速增長，逐步在市場中成為主導產品。表5給出了1999-2001年國內激光產品的銷售情況，可以看出，固體激 光器銷售額遠大于氣體激光器的銷售額，但全固化固體激光器(solid laser)的銷售額未見報道，其研究和開發還遠落后于世界水平，其主要原因應歸咎于我國大功率半導體激光器 水平的落后。2001年國內激光產品銷售額為28.39億元，僅湖北產值就為15.64億元，顯示武漢中國光谷在能量光電子方面的強大實力。

表2 全球商用激光器市場（億美元）

 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激光器(solid laser)中的應用（億美元）

    1999年  2000年  2001年  2002年  2003年  千臺  51.8  71.4  88.8  122.8  144.1  百萬美元  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（億美元）  6.18  4.35  3.75  1.92  1.12  18.8  2003年（億美元）  6.54  4.57  4.01  2.15  1.12  19.9  2002年（臺）  13281  2960  1405  9278  12355  113021  2003年（臺）  13880  3110  1630  10430  12565  112506

表5 1999-2001年全國激光產品銷售額按主要激光器件分類統計（萬元人民幣）

 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%  半導體激光器及應用  39249.4  164.6%  67612.6  72.3%  156974.8  132.2%

     由于高功率全固化固體激光器(solid laser)的相繼成熟，其應用領域也已從最成熟的光通訊方面向其它更為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的光纖激光打標(laser marking)機