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全固化固体激光器研究及进展
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摘要：文章详细分析了全固化固体激光器的结构、特点、市场和应用前景。
关键词：全固化固体激光器，二极管泵浦固体激光器，光纤激光器
一、引言
就武汉中国光谷产业而言，能量光电子是其中最重要的组成部分，而激光器及其激光设备又是能量光电子的核心产品。自第一台红宝石激光器问世，固体激光器就一直占据了激光器发展的主导地位，特别是在20世纪80年代出现的半导体激光器以及在此基础上出现的全固化固体激光器更因为体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长等优点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的领域。目前世界范围内销售的商品固体激光器已有500余种，但从1998年开始，固体激光器中的Nd:YAG激光器的市场占有率和销售额已升为第一位。
传统的固体YAG激光器，通常由掺钕钇铝石榴石晶体棒、泵浦灯、聚光腔、光学谐振腔、电源及制冷系统组成，其转换效率为2%到3%。另一方面整个激光器需要庞大的制冷系统，体积很大。泵浦灯的寿命约为300到1000小时，操作人员需花很多时间频繁的换灯，中断系统工作，使自动化生产线的效率大大降低。因此技术上没有大的发展空间，全固化固体激光器将取代灯泵浦固体激光器，这是固体激光器的发展方向。近年来由于大功率激光二极管制造工艺的成熟和生产成本的降低，使二极管泵浦固体激光器的研究得到了飞快的发展，且已正式进入商品化。世界著名的激光公司Rofin-Sinar所销售的激光工业加工设备中60％已是二极管泵浦的固体激光器。表一给出了三类激光器的特性比较。
表一、光纤激光器、二极管泵浦固体激光器和灯泵浦固体激光器的特性比较
特性 光纤激光器 二极管泵浦固体激光器 灯泵浦固体激光器
工作方式 连续或脉冲 连续或脉冲 连续或脉冲
辐射波长（微米） 0.532, 1.07, 1.8-2.0 0.532, 1.06 1.06
输出功率/能量 高达2KW/高达1mJ 高达2KW/高达60mJ 高达2KW/高100J
电光转换效率 高达20% 高达20% 低于6%
光束质量 基模* 基模或多阶模 基模或多阶模
功率/能量稳定性 < 1.5% < 3% < 3%
冷却方式 风冷 风冷或水冷 水冷
可靠性 最佳 较好 较差
维护周期 无需维护 无需维护 300小时
使用寿命 大于10万小时 大于1.5万小时 大于5千小时
系统体积 小巧紧凑 较小 较大
光纤传输 单模光纤 多模光纤 多模光纤
成本 较高 较高 较低
技术 最新 新 旧
* 输出功率大于100瓦时一般采用光纤束，但光束质量比所有其它激光器系统高一个量级。
与传统灯泵浦固体激光器比较，全固化固体激光器具有以下优点：
1)转换效率高：由于半导体激光的发射波长与固体激光工作物质的吸收峰相吻合，加之泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从而光光转换效率很高，已达50％以上，整机效率也可以与二氧化碳激光器相当，比灯泵固体激光器高出一个量级，因而全固化固体激光器可省去笨重的水冷系统，体积小，重量轻，结构紧凑，易于系统集成，性能价格比高。
2)性能可靠、寿命长：激光二极管的寿命大大长于闪光灯，达 15000小时以上，而闪光灯的寿命只有300-1000小时。激光二极管的泵浦能量稳定性好，比闪光灯泵浦优一个数量级，性能可靠，可制成全固化器件。运行寿命长，成为至今为止唯一无需维护的激光器，尤其适用于大规模生产线。
3)输出光束质量好：由于二极管泵浦激光的高转换效率，减少了激光工作物质的热透镜效应，大大改善了激光器的输出光束质量，激光光束质量已接近理论极限M2 = 1。
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