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激光二极管泵浦固体激光器的发展与应用

发布时间:2022-09-16 03:08:56 来源:hth华体会滚球 作者:hth华体会APP官方版

  发展密不可分。1960年第一台红宝石激光器的问世。1962年第一只同质结砷化镓半导体激光器问世。1963年,纽曼首次提出了用半导体作为固体激光器的泵浦源的构想。随着LD输出功率不断增强,1968年Ross第一次实现了采用GaAs激光二极管泵浦Nd:。1973年首次报导了脉冲工作的LD端面泵浦Nd:YAG激光器,并指出端面泵浦的诸多优点。Chesler和Singh给出端面泵浦激光器在多横模和单横模工作状态下的理论模型,并在假定均匀泵浦的前提下求得的理论泵浦阈值与实验结果基本符合。1976年,实现了用超发光二极管端面泵浦的Nd:YAG激光器在室温下连续运行。20世纪80年代以来,半导体激光器及其阵列的研究工作取得重大突破,极大的推动了固体激光器件、技术和应用的发展,并带动了固体激光器的全面复兴。随着量子阱结构的出现和金属有机物化学汽相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等晶体生长技术的逐渐成熟,使LD的阈值电流明显降低,转换效率和输出功率和有了较大幅度的提高,单条半导体激光器列阵输出功率达1W到2W。单个LD连续输出功率达到100mw到200mw.90年代,激光二极管的生产技术和制作工艺逐渐成熟,使用寿命、可靠性都有很大的提高,其中DPL的发展及应用研究的新进展尤为突出。1992年美国劳仑兹-里弗莫尔国家实验室成功研制的千瓦级高功率二极管泵浦激光器。1994年美国能源部宣布批准实施了国家点火设施计划。2001年Akiyama等人利用三向侧面泵浦Nd:YAG激光器获得5.4kW的激光输出,电-光转换效率达22%。2002年美国TRW公司研制出了5.4kW输出的激光二极管泵浦Nd:YAG激光器。2006年美国诺格公司成功实现了19kW激光输出。总之,DPL在固体激光器中最有活力和发展前途。

  由于二极管泵浦激光器具有可获得高功率、高光束质量输出、热效应小、效率高和器件结构紧凑等优点,成为信息技术的关键器件。其应用范围之广、波长覆盖范围之宽、发展速度之快都是其他类型的激光器所不能比拟的。

  目前,二极管泵浦固体激光器应用的领域非常的广泛,如军事、医学、工业等众多领域。

  在军事领域的应用:随着激光器输出功率的不断提高,光束质量的逐步改善,DPL在军事领域的应用越来越广泛。随着关键技术取得重大突破,高能激光器武器成为一种具有直接杀伤力的新型武器。2002年美国成功将0.5kW全固态激光器装载在机动战车上,用于军事扫雷,名为宙斯的扫雷战车凭借其体积小、安全性、高可快速移动性、扫雷速度快受到美国军方的好评。高功率激光武器具有精度高、速度快、低污染、机动灵活等优点,在光电对抗、激光软硬杀伤、激光致盲等领域有广泛的应用前景。美国军方在军事发展规划中制定了对各平台高能激光武器的发展战略,包括地基、天基高能激光武器发展规划、舰载高能激光武器发展规划和机载高能激光武器发展规划。美国空军的机载激光技术和陆军机动战术高能激光计划都看好二极管泵浦激光器,并先以20kW为阶段目标,再实现100kW的目标。

  在医疗领域的应用:激光在皮肤美容、口腔科、耳鼻喉科、外科、眼科、神经外科、心血管科等得到了广泛的应用。激光治疗仪器的优点是:精确、可控,处理过的创面创伤小、出血少、非接触无感染,并且对切口周围组织的损伤程度极小。医用激光器主要要求稳定和使用寿命较长。通过倍频和混频,LD或者闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器可以实现多波长转换,通过光纤传输进行外科手术。但是由于固体激光介质的热致畸变和闪光灯的老化将导致光强具有较大起伏,使得它的光束质量变差,而且需要使用庞大的供电和水冷系统,这些都限制了它的使用范围。由于生物组织的80%由水组成,LD泵浦掺Er、Tm、Ho,波长在2~3nm的中红外固体激光能被生物组织强吸收,渗透深度比较浅,也不会发生炭化现象和引起分子键断裂,是心血管手术和近视眼开刀的理想医用激光器。未来医疗激光设备将向着更高能量、更易于操作、更稳定、更精密等方向发展。

  在工业加工领域的应用:DPL在激光加工领域的应用主要有激光焊接、切割、快速成型和表面处理等。许多发达国家的加工行业进入了激光加工时代。如德国的激光加工装备一直处在世界领先地位,尤其是在汽车配件和汽车制造行业中,广泛采用激光加工技术。福特汽车公司在1973年就率先将激光焊接系统引入了其汽车组装线并使用于焊接汽车车身底板。在日本整个加工制造业的10%以上都是激光加工,日产汽车利用激光的光束处理钢板表面然后进行喷漆处理,不仅让车体表面的光泽度提高了,而且油漆不容易脱落。美国福特汽车公司、意大利菲亚特汽车公司、通用汽车公司等都在切割焊接环节使用了激光器系统。目前二氧化碳激光器和灯泵固体激光器普遍在高功率激光加工中采用,由于价格因素的限制,高功率全固态激光器的应用刚刚起步。国内高功率激光应用于工业加工起步晚,但发展很快,高功率全固态激光器用于工业加工将带来巨大的经济和社会效益,大幅度提升我国工业加工的国际竞争力。由于在军舰、航母、潜艇等船舶的器制造过程中,需要对各种复杂形状的厚钢板进行切割、焊接和表面处理等加工。近年来,欧美等发达国家将固体激光的加工技术引入了船体的分段制造、拼接总装制造的过程中,并且广泛采用了激光焊接的精密网状合金钢结构来加强船体并减轻重量的技术。采用激光加工技术能大幅度提高加工强度、制造精度和生产效率。随着全固态激光器的功率的不断提高、价格不断下降以及新工艺、新材料的涌现,全固态激光器加工技术将会更多的被应用到加工领域,逐渐替代传统的灯泵激光器和气体激光器。

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