数字化转型：概念性名词浅谈（第五十四讲）
大家好，今天接着介绍数字化转型的概念性名词系列。
（1）绿光激光器
绿光激光器是以532纳米波长激光为特征的光学器件，主要通过非线性光学晶体倍频、半导体直接发射及上转换泵浦三种方式产生，其中非线性倍频法因转换效率高成为主流技术 。其核心产品包括50-500W亚纳秒脉冲、100-3000W连续绿光激光器等，采用全光纤技术方案实现体积小型化和高稳定性。
该器件在医疗领域用于眼科手术与血管性疾病治疗，工业领域应用于高反金属3D打印、锂电池焊接等精密加工，同时在光存储、激光显示、激光雷达等领域发挥重要作用，并作为紫外激光器与深紫外激光器的核心泵浦源 。技术发展始于1960年代非线性晶体倍频研究，1999年日本实现27W连续绿光输出，2005年单纵模绿光功率达20.5W；国内2003年实现104W调Q绿光输出，2006年脉冲绿光功率提升至138W 。国内厂商研制出近单模2000W连续绿光光纤激光器，达到行业领先功率水平。
(1)上转换泵浦发射绿光激光在固体材料中掺入稀土离子,用半导体激光器或其他光源泵浦,直接利用稀土离子的能级跃迁而产生绿光激光。此种方法基于上转换效应,亦即激射光波长小于泵浦光波长。稀土离子的上转换发光机制一般可以分为激发态吸收、能量转移和光子雪崩三种过程。
(2)半导体激光器直接发射绿光激光半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结或PIN结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。按照波长
和应用领域,半导体激光器大致可分为长波长和短波长两种。在短波长一侧,由于材料制备和器件工艺方面的困难,半导体绿光激光器的研究进展一直比较缓慢,很长时间没有达到实用化程度。
(3)非线性光学晶体倍频方法这是实现绿光激光较常用的方法。这种方法可分为直接法和间接法。直接法就是将半导体激光直接输入到波长变换元件上,倍频后得到绿光激光输出。这种方法特点是结构简单、倍频容易,而且变换频率高,但输出的绿光激光线宽较宽,波长稳定性差。间接法又可分为两种:a、利用半导体激光泵浦Nd3+、Er3+等稀土离子激活的固体激光器,然后再经过波长变换元件实现倍频。这种方法在结构上较为复杂,但可以得到好的激光光谱和波束特性。另外这种方法还可以利用固体激光器能级寿命长的优点,实现能量积累,从而得到高能量激光输出。b、利用既可发射激光、又可以同时实现波长变换的自倍频晶体材料实现激光输出,例如钱和氧化镁共掺的妮酸钾和硼酸钦忆铝以及KTP:Cr。
全固态激光器正朝着多波长方向发展,其中LD泵浦全固态绿光激光器发展迅猛,在各领域应用广泛。
在医疗方面的应用
由于人眼对绿光最为敏感,532ITm波长的脉冲激光可用于眼科手术;该脉冲绿光亦可用于治疗血管性疾病,设计制造输出功率为3W的532nm调Q脉冲激光器用来治疗中风。脉冲绿光激光器因其功率高,所以对皮肤的作用时间相对较短,这样激光不会对目标组织周围的皮肤组织产生非选择性加热,从而不会导致热损伤,降低了手术危险性。
在彩色显示领域的应用
与其它显示光源相比,激光显示技术具有色域宽、色纯度高、显示画面尺寸灵活可变、无有害电磁射线辐射等独特优点,可用于家庭影院、数码影院、超大屏幕投影、公众信息大屏幕以及教学演示、虚拟现实模拟等众多领域,成为家庭及室外未来首选的视频显示设备。激光显示的图像比现有彩色电视色彩更丰富、颜色更鲜艳,能反映自然界的真实色彩,甚至能显示虚拟颜色,所以大功率三基色全固态激光器作为激光彩色显示的关键技术,己成为当前国际激光领域研究的一个重大发展方向。
在激光精密加工的应用
绿光激光由于其亮度高、聚焦光斑小、作用时间短、热影响区小、工件不会因加工而产生大的形变等优点,可以对一些硬度高、脆性大的材料进行加工,在精密加工中显示出它独特的优越性。除此之外,激光在电子工业中也得到广泛应用,可以用来调整微型电阻的阻值。随着激光器性能的改善和新型激光器的出现,激光在超大规模集成电路方面的应用已经成为许多其他工艺所无法取代的关键技艺,为超大规模集成电路的发展展现出令人鼓舞的前景。
作为激光泵浦源
紫外激光器、深紫外激光器在军事、工业、医学、印刷等方面有着广泛的应用,使用绿光作为泵浦源是目前产生紫外、深紫外激光最有效、最广泛的方法。LD泵浦的固体激光器可以作为飞秒激光器的泵浦源,如用绿光激光器作为泵浦源,泵浦Ti:Al2O晶体产生飞秒脉冲。另外,绿光激光器还可作为参量振LD泵浦全固体连续绿光激光器荡器的泵浦源。除此之外,全固体绿光激光器还在光存储、信息处理、激光光谱与全息、相干通讯、激光娱乐、激光雷达、干涉测量、光学数据存储、军事工业等领域也有着广泛的应用。因此,全固体绿光激光器具有十分重要的科学研究价值和广阔的应用前景。
在激光二极管泵浦固体激光器中,一个重要的研究方向就是开展二极管泵浦的绿光激光器件的研制,由于它在信息、娱乐、加工等产业及军事、科研等领域是关键的新一代光源,美国、法国、日本等国家均投巨资研究开发高平均功率的激光二极管泵浦绿光固体激光器,近几年在国际上成为竞相研究开发的热点。
获得绿光光源的方法有许多,其中氢离子气体激光器能够直接产生蓝绿激光光源,连续输出功率可以达到几十瓦,但是氢离子激光器的电源体积庞大,设备复杂,需要外设多,效率低;铜蒸汽激光器也是产生高功率黄绿激光器的一种重要方法,它可以输出百瓦级的平均功率,重复频率可以达到100kHz,但是由于铜蒸汽属于重金属有毒,而且体积特别大,电源复杂。随着非线性光学频率变换技术的发展,采用非线性倍频获得高功率的绿光光源成为可能。
从二十世纪六十年代到八十年代期间,人们利用各种非线性晶体材料进行内腔倍频Nd:YAG激光器以获得绿光光源。1968年,J.E.Geusic等人利用非线性晶体内腔倍频实现输出功率为1.IW的绿光;1982年,Y.5.Liu等人采用11类相位匹配的KTP,在调Q内腔激光器中,获得重复频率为5kHz输出平均功率为5.6W的绿光;1983年姚建锉院士}'5},利用3.7mm长的KTP晶体内腔倍频IO64nm激光获得平均功率为11w的绿光,重复频率为2.skHz,是当时国际最高水平;到1986年,T.M.Baer日用GaAIAs激光二极管泵浦Nd:YAG内腔倍频获得几十mw的绿光输出,开创了全固态绿光激光器的先河。同年,山东大学晶体所利用助溶剂法生长出42.5 13.6Inm的大尺寸KTP晶体,结束了美国对我国倍频晶体的出口限制。1987年,姚院士领导的课题组利用国内生产的KTP晶体内腔倍频技术获得了平均功率为34W的国际最高水平。
进入二十世纪九十年代,具有寿命长、可靠性高、体积小、效率高等优点的高功率、高重复频率全固态绿光激光器得到了空前的发展。法国的B.J.Le采用30个连续二极管激光器侧面泵浦单棒,在Z型腔中用KTP晶体内腔倍频,双端输出重复功率27kHz,106w的高功率绿光,电光转换效率为5.4%1998年Ericc.Honea娜j等人采用端面泵浦、双调Q以及v型腔内腔倍频技术,实现140w绿光输出,是目前端面泵浦获得绿光最高功率;同年,美国的Chang等人报道,他们采用自行研制的ePe聚光腔,当二极管侧面泵浦功率为1180W时,实现451W的连续基频激光输出,采用L型谐振腔,LBo晶体腔内倍频,实现了182w的13kHz绿光输出阵'];1999年日本的T.Kojima等人采用四镱z型谐振腔获得光束质量较好的连续稳定的27W绿光输出;2004年韩国的Jonghoony采用z型腔实现398w泵浦功率下输出lo1w的绿光,光光转换效率为25.4%,是目前较高的转换效率。
随着国产半导体激光器质量的提高以及国外半导体激光器价格的降低,国内全固态高功率绿光激光器的研究也有了极大的进展。2000年,中科院物理所与山东师范大学用LD双向抽运Nd:YVO4晶体,KTP腔内倍频,获得最大连续波绿光输出8.8w,光一光转换效率达31.50/01241;2002年,天津大学等单位研制了高功率Nd:YAG倍频绿光激光器,获得532lun绿光输出20w少];2003年,天津大学激光与光电子研究所采用美国CEO公司的1600W半导体抽运组件,在抽运电流为18.4A,声光重复频率20.7妞z时,·获得了功率达104W的高功率、高重复频率532nm绿光输出,脉冲宽度小于130ns,倍频效率约为50%,不稳定度小于1%晰l;2006年,王暖让等采用U型腔,双声光Q开关、双Nd:YAG晶体棒、单KTP晶体、双端输出获得了重复频率为10kHz,脉冲宽度优于49ns,输出功率为138W的高功率、高重复频率、窄脉宽绿光输出四;姚震宇等采用KTP晶体倍频的L型腔半导体抽运Nd:YAG激光器,获得了双端162w的调Q绿光输出。
本篇文章要介绍的就是这么多，我们下篇文章再见。