以透明陶瓷为代表的新型激光材料以光纤激光为代表的新型激光结构 bb

1、激光研究的最新开展趋势楼祺洪 研究员 中国科学院上海光学精密机械研究所2021.9 深圳前言2021 是激光诞生 50 周年激光已从实验室走向市场新型激光技术不断推动激光开展激光研究的最新开展趋势 日本产业振兴协会(Industry Promotion Association of Japan) 在中国调查的光电子领域：光学设备和材料：THz、中红外、可见到紫外波段新材料；光通信材料：光子网络、局域网光纤、量子密码通信、空间光无线通讯；光存储和光信息处理：母盘制作和复制、蓝光光盘、新一代大容量存储技术；显示器：包括液晶显示、有机发光电子纸张显示、投影显示；用户界面：图像传感、防灾系统、光生物测

2、定、家庭平安保密设备；激光应用和光学测量：新型激光源、光纤传感、激光冷却、激光加工；光伏技术：薄膜电池、有机光伏电池、高效光伏电池；环境光子学；照明技术，LED白光照明。激光研究的最新开展趋势以透明陶瓷透明陶瓷为代表的新型激光材料激光材料以光纤激光光纤激光为代表的新型激光结构激光结构以掺铥光纤激光掺铥光纤激光为代表的新激光波长激光波长激光技术在光伏太阳能光伏太阳能产业中的应用透明激光陶瓷的研究历史和优点透明激光陶瓷的进展 1.高效率陶瓷激光器 2. 高功率陶瓷激光器 3. 大能量陶瓷激光器 4. 超短脉冲陶瓷激光器 5.全陶瓷自调Q陶瓷激光器 6. 陶瓷光纤理想激光材料的展望1、以透明陶瓷为代

3、表的新型激光材料1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料陶瓷意为“煅烧的材料，已经存在了数千年。随着文明的进程，人类最终创造了透明多晶光学陶瓷，现在我们可以利用它们作为增益介质来形成激光振荡。透明光学陶瓷中，散射是最大的光损耗过程。多种散射源包括微孔、颗粒边界、单个颗粒内的结构梯度以及光学各向异性材料的相和晶格缺陷等均能使局部折射率变化。n 同单晶相比，具有如下制备优势：n 大尺寸块体，形状可控。n (2) 掺杂浓度高、光学均匀性好。n (3)烧结温度低，制备周期短，本钱低，可大规模生产。n (4)可设计制备出多功能和复合结构的陶瓷。n 同玻璃基质相比，具有如下材料优点：(1)热导率高，是玻璃材料的

4、数倍，有利于降低热效应；(2)陶瓷的熔点远高于玻璃的软化点，能承受更高的辐射功率;(3)陶瓷激光器输出激光的单色性比玻璃激光器好；1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料高效率陶瓷激光器高效率陶瓷激光器2004年，中科院光机所采用超均匀侧面泵浦技术在1at. Nd：YAG陶瓷棒中获得输出功率236W，斜率效率6262的连续激光输出2006年柏林大学芯掺杂高效率Nd：YAG陶瓷激光器，140W，斜率效率67高效率陶瓷激光器高效率陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料高功率陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料2006年，美国LLNL实验室采用Sm3包边Nd

5、：YAG复合结构陶瓷热容激光器实现了5Hz，67 kW激光输出，持续时间10s。Sm3包边Nd：YAG结构抑制ASE效应的原理高功率陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料1.3 大能量陶瓷激光器- 低温冷却的Yb:YAG陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料未来大能量激光核聚变驱动器正从ICF向IFE开展，要求激光材料具有高的抗热冲击参数和大受激发射截面和大口径。采用低温冷却的 Yb 晶体取代Nd玻璃是一种新型的设计理念。激光陶瓷可获得大口径，高掺杂，且热机械性能更为优越，是理想的可取材料。n受激发射截面和抗热冲击系数随温度可调能够实现高效能量提取n能级结构激光系统，无激发态再吸收

6、在LD泵浦下高激光增益n良好的热机械特性可以高平均功率运 日本大阪大学 方案在16Hz重复频率下获得MJ量级激光输出功率，光学转换效率约121.3 大能量陶瓷激光器- 低温冷却的Yb:YAG陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料Yb：YAG陶瓷ICF驱动系统示意图1.4 超短脉冲陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料Yb：Y2O3和Yb：Lu2O3陶瓷材料具有宽的发射带宽,是理想的飞秒激光器材料Yb：Y2O3 188fs锁模脉冲Yb：Lu2O3 357fs锁模脉冲1.4 超短脉冲陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料2004年,日本World-Labo.实验室Yb:YSAG透

7、明陶瓷，获得脉冲宽度280fs，平均输出能量为62mW的锁模脉冲激光输出1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料微芯片Nd3+，Cr4+：YAG双掺杂自调Q全陶瓷激光器其中Cr4+作为调Q开关1.5 全陶瓷自调Q脉冲激光器1.6 Nd：YAG陶瓷光纤1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料陶瓷的热机械性能和可承受的功率密度优于石英光纤-高功率Nd：YAG陶瓷光纤的形态陶瓷光纤激光器与普通光纤激光器的斜率效率1.6 Nd：YAG陶瓷光纤1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料理想激光材料的展望：陶瓷综合了单晶和玻璃两者的优势良好的材料和光学特性。激光陶瓷还可以便捷的制备，实现多层、多功能“All in One的复

8、合结构，给予了高性能固体激光器前所未有的高性/价比和便捷灵活的设计1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料2 、以光纤激光为代表的新型激光结构 对于传统的棒状工作物质在高功率时，存在严重的热透镜效应和热致双折射，导致光束质量下降2 、以光纤激光为代表的新型激光结构光纤激光器的众多优点众多优点决定了它是未来高功率高光束质量全固态激光系统的可靠选择之一，很有可能取代现有的CO2激光器和YAG激光器。1 1、易于散热、易于散热-增益介质的外表积增益介质的外表积/ /体积比大体积比大2 2、光束质量好、光束质量好-优异的双波导限制机制，优异的双波导限制机制，3 3、固有的全封闭柔性光路、固有的全封闭柔性光路

9、4 4、光路具有免维护性、光路具有免维护性5 5、光电效率高、光电效率高20-30%-LD20-30%-LD10-15%10-15%6 6、寿命长、寿命长 7 7、体积小重量轻、体积小重量轻8 8、输出功率大、输出功率大9 9、节水节电本钱、节水节电本钱1010、造价不断降低、造价不断降低光纤激光器的结构光纤激光器的应用领域 1.激光加工对激光器的要求 2.低功率光纤激光器的应用 3.中功率光纤激光器的应用 4.高功率光纤激光器的应用光纤激光器开展历史和现状光纤激光器开展趋势2 、以光纤激光为代表的新型激光结构2 、以光纤激光为代表的新型激光结构 光纤激光器在数千瓦仍有光纤激光器在数千瓦仍有可

10、能保持单模，常规固体可能保持单模，常规固体激光器是不可能实现的激光器是不可能实现的半导体泵浦全固态光纤激光器根本结构泵浦系统耦合系统光纤及输出系统2 、以光纤激光为代表的新型激光结构Photonic crystal fiber ：PCF光子晶体光纤2 、以光纤激光为代表的新型激光结构2 、以光纤激光为代表的新型激光结构不同类型激光器参数比照 激光加工激光束作用于物体的外表而引起的物体的变形，或物体的性能的改变的加工过程。按光与物质相互作用机理，大体可将激光加工分为激光热加工和激光光化学反响加工冷加工两类。优点：热影响小，不受电磁干扰 ，易于导向、聚焦和发散。 激光热加工的光源主要采用红外激光器

11、，如CO2激光器、和Nd:YAG激光器，现在主要用于汽车工业、钢铁工业、轻纺工业和电子工业的各类加工。 激光光化学反响加工的光源主要采用紫外激光器，如准分子激光器，迄今已成功地应用于半导体工业。 2 、以光纤激光为代表的新型激光结构1.激光加工对激光器的要求2 、以光纤激光为代表的新型激光结构激光加工对激光器的模式和功率有很高的要求 波长：不同波长，有不同用途。如：紫外光对光刻波长：不同波长，有不同用途。如：紫外光对光刻很有用，微米波长的激光能被大多数材料吸收，适很有用，微米波长的激光能被大多数材料吸收，适于切割和焊接金属，于切割和焊接金属，Fiber LaserFiber Laser的波长为

12、激光加的波长为激光加工的开展提供了广阔的应用前景。工的开展提供了广阔的应用前景。 横模模式：决定激光光波场在空间的展开度，不同横模模式：决定激光光波场在空间的展开度，不同的加工种类和加工要求对激光能量分布有相应要求的加工种类和加工要求对激光能量分布有相应要求。如切割和焊接要求。如切割和焊接要求 基横模，淬火却要求高阶模基横模，淬火却要求高阶模。目前，。目前，Fiber LaserFiber Laser输出的插头效率在输出的插头效率在20%20%30%30%之间。之间。2 、以光纤激光为代表的新型激光结构激光加工对激光器的模式和功率有很高的要求 功率：工件外表某点吸收能量的多少依赖于激光输功率：

13、工件外表某点吸收能量的多少依赖于激光输出功率和激光辐照时间；出功率和激光辐照时间；Fiber LaserFiber Laser的功率输出的功率输出已达千瓦级，可以满足多种激光加工的需要。已达千瓦级，可以满足多种激光加工的需要。 偏振特性：激光偏振特性影响材料的吸收特性，进偏振特性：激光偏振特性影响材料的吸收特性，进而影响激光加工时材料吸收能量的份额。光纤激光而影响激光加工时材料吸收能量的份额。光纤激光的基波发射一般在左右，输出偏振特性不明显；采的基波发射一般在左右，输出偏振特性不明显；采用保偏光纤可以获得偏振输出。用保偏光纤可以获得偏振输出。不同的应用对光束质量的要求2 、以光纤激光为代表的新

14、型激光结构2 、以光纤激光为代表的新型激光结构 光纤激光器的主要应用之一：微加工打标、雕刻、调阻等低功率50W a a电镀金属零件，电镀金属零件，b b外表染色的铝制品，外表染色的铝制品，c c抛光的不锈钢片，抛光的不锈钢片，d d外表有色涂层的铝片外表有色涂层的铝片a a集成电路芯片，集成电路芯片，b b塑封的晶体管，塑封的晶体管，c c皮革制品，皮革制品，d d塑料日用品等。塑料日用品等。金属软边光阑提供中国原子金属软边光阑提供中国原子能科学研究院等单位能科学研究院等单位 小孔阵列提供上海大学小孔阵列提供上海大学ab上光所研制的上光所研制的SF-1SF-1光纤激光打标机光纤激光打标机上光所

15、研制的便携式光纤激光打标机上光所研制的便携式光纤激光打标机 202120212 、以光纤激光为代表的新型激光结构 光纤激光器的主要应用之一：微加工光纤激光器的主要应用之二2 、以光纤激光为代表的新型激光结构材料加工(软焊、烧结、切割、打孔等)中等功率 50WP1KW不锈钢板焊接样品照片钢板厚度，激光功率200W光光纤纤激激光光器器移移动动工工作作台台工工件件保保护护气气体体：图1 光纤激光焊接示意图光纤激光器用于不锈钢板焊接实验研究光纤激光器用于不锈钢板焊接实验研究 激光波长1080nm，光束直径20mmM2透镜透镜f=30mm2 、以光纤激光为代表的新型激光结构2 、以光纤激光为代表的新型激

16、光结构不同类型激光器外表处理效果比照 光纤激光器的主要应用之二 材料加工SIOM 的高功率光纤激光器输出功率：1.75kW, 斜率效率 ：76%波长： 1.09um 高功率光纤激光器通常指输出超过千瓦级。高功率光纤激光器通常指输出超过千瓦级。优点：能远距离加工、光束质量好、功率密度高、优点：能远距离加工、光束质量好、功率密度高、已广泛应用于厚金属已广泛应用于厚金属10cm10cm切割、远距离焊接、岩石混凝切割、远距离焊接、岩石混凝土的钻孔、淬火和原型复制等加工领域。土的钻孔、淬火和原型复制等加工领域。军事领域军事领域 扫雷，软杀伤，激光武器扫雷，软杀伤，激光武器 光纤激光器的主要应用之三： 定

17、向能武器2 、以光纤激光为代表的新型激光结构 光纤激光器的主要应用之三： 定向能武器2 、以光纤激光为代表的新型激光结构 组束 高功率(10KW)1963年-第一台光纤激光器 掺钕光纤激光器1973年二极管激光器泵浦的光纤激光器1988年E， Snitzer提出双包层泵浦光纤激光器技术，成为制作高功率光纤激光器首选途径 目前IPG公司实现了单模，输出功率为10kw10kw的光纤激光器2 、以光纤激光为代表的新型激光结构光纤激光器开展历史和现状IPG公司2 、以光纤激光为代表的新型激光结构2 、以光纤激光为代表的新型激光结构 在过去三年，光纤激光器取得了42%的令人印象深刻的增长，2021年到达

18、了3亿美元根据Optech咨询公司的报告?Fibre Lasers 2021?。 光纤激光器的开展趋势高功率高亮度两种实现技术大模场有源光纤结合模式选择技术相干组束技术提高单纤输出功率改善光束质量提高输出功率同时保证好的光束质量高功率高功率高亮度高亮度2 、以光纤激光为代表的新型激光结构铥激光的主要应用领域铥的能级图与吸收谱掺铥光纤激光器的进展SIOM 的掺铥光纤激光器3. 以掺铥光纤激光为代表的新激光波长3. 以掺铥光纤激光为代表的新激光波长波长处在2-3微米的中红外光纤激光器在激光显微、外科手术等领域具有广阔的应用。在军事上，战争中很多军事目标探测器大多都能是在红外线辐射范围,且中远红外线

19、适于全天候和远距离的传输。 2微米光纤激光器是光参量产生中红外3-5微米的最正确泵浦源之一，其一直是国内外研究热点。国外已经报道了KW 级的2微米激光器，IPG实现500W 全光纤激光器。铥铥激光的主要激光的主要应应用用Doppler LIDAR Surgery Remote sensing Tm3+ fiber lasers Tm3+ :YAP lasers Tm3+ :YLF lasers Tm3+ : LLF lasers Tm3+ :YAG ceramic lasers3. 以掺铥光纤激光为代表的新激光波长铥的能级图 长荧光寿命(ms) 高量子效率 商业LD泵浦(780-795 nm)

20、 吸收一个泵浦光子上能级两个光子交叉弛豫交叉弛豫掺铥掺铥光光纤纤的吸收的吸收谱谱左左与发与发射射谱谱右右三三种泵种泵浦方式：浦方式：790nm790nmLDLD；1300nm1300nmNdNd激光器；激光器；1600nm1600nmErEr激激光器。光器。3. 以掺铥光纤激光为代表的新激光波长3. 以掺铥光纤激光为代表的新激光波长近年来掺近年来掺TmTm光纤的高功率激光进展光纤的高功率激光进展 3. 以掺铥光纤激光为代表的新激光波长双向泵浦的掺铥光纤激光器实验装置烽火科技光纤：纤芯直径25微米，纤芯NA为；内包层为D型结构，尺寸为400微米。光纤长度米SIOM 掺铥光纤激光器：入纤功率输出功

21、率斜效率波长130W55W45%1.99um附近SIOM中红外光纤激光器的研究1980199020002010202020308500900095001000010500110001150012000 Relative Intensity/countsWavelength/nm 3.5m fiber 8m fiber198019841988199219962000130001400015000160001700018000 Relative intensity/countsWavelength/nm28.6W33.8W37.8W不同不同长长度的度的掺铥掺铥光光纤纤激光器的激光器的输输出光出光谱

22、谱长长的光的光纤纤激光器在不同激光器在不同输输出功率出功率时时的光的光谱谱 掺铥光纤激光器可以实现高的连续功率输出50W；掺铥光纤激光器输出的光谱在高功率下比较宽,，工作波长不稳定，不利于直接作为3-5m的中红外固体激光器的泵浦源；中红外激光器的光参量振荡泵浦源，对线宽、波长、线偏振、及高重频的脉冲有要求，需对掺铥光纤激光器作进一步研究及改进。2022-3-14太阳能：可再生清洁能源太阳能：可再生清洁能源电网等价点太阳能电价常规能源电价4.4.激光技术在光伏太阳能产业的应用激光技术在光伏太阳能产业的应用4.4.激光技术在光伏太阳能产业的应用激光技术在光伏太阳能产业的应用激光技术激光技术快速、精

23、确可控、零接触薄膜化薄膜化工艺简化工艺简化提高产能提高产能增强吸收增强吸收外表处理外表处理优化电极优化电极高效率高效率低本钱低本钱叠层、聚光叠层、聚光太阳能电池太阳能电池4.激光技术在光伏太阳能产业的应用激光掺杂激光掺杂激光刻槽激光刻槽/ /边缘隔离边缘隔离激光打孔激光打孔/ / 激光烧结电极激光烧结电极激光划线激光划线 薄膜电池薄膜电池体硅薄膜激光外表织构激光外表织构体硅激光切割激光切割4.激光技术在光伏太阳能产业的应用下面以高重频脉冲光纤激光器高重频脉冲光纤激光器在太阳能电池领域的应用为例介绍1、脉冲调制的单模LD、2、固体激光调Q、3、光纤激光声光调Q 种子光-振荡放大MOPA结构高性能小功率激光器 双包层光纤