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激光研究的最新发展趋势 楼祺洪 研究员 中国科学院上海光学精密机械研究所 2010.9 深圳 前言 2010 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发展 激光研究的最新发展趋势 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、光生物测定、家庭安全保密设备； 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。 激光研究的最新发展趋势 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 以掺铥光纤激光为代表的新激光波长 激光技术在光伏太阳能产业中的应用 1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料 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。 1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料 同单晶相比，具有如下制备优势： (1)大尺寸块体，形状可控。 (2) 掺杂浓度高、光学均匀性好。 (3)烧结温度低，制备周期短，成本低，可大规模生产。 (4)可设计制备出多功能和复合结构的陶瓷。 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 1.1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62％的连续激光输出 1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料 1.1高效率陶瓷激光器 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％ 1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料 1.2高功率陶瓷激光器 2006年，美国LLNL实验室采用Sm3＋包边Nd：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。 1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料 1.2高功率陶瓷激光器 Sm3＋包边Nd：YAG结构抑制ASE效应的原理 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 未来大能量激光核聚变驱动器正从ICF向IFE发展，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。 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 能级结构激光系统，无激发态再吸收→在LD泵浦下高激光增益 良好的热机械特性→可以高平均功率运 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 日本大阪大学 计划在 16Hz重复频率下获得 MJ量级激光输出功率， 光学转换效率约12％ Yb：YAG陶瓷ICF驱动系统示意图 1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料 1.4 超短脉冲陶瓷激光器 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、以透明陶瓷为代表的新型激光材料 1.4 超短脉冲陶瓷激光器 2004年,日本World-Labo.实验室 Yb:YSAG透明陶瓷，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 1.5 全陶瓷自调Q脉冲激光器 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、以透明陶瓷为代表的新型激光材料 1.6 Nd：YAG陶瓷光纤 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 1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料 1.6 Nd：YAG陶瓷光纤 陶瓷光纤激光器与普通光纤激光器的斜率效率 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 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、易于散热---增益介质的表面积/体积比大 2、光束质量好--优异的双波导限制机制， 3、固有的全封闭柔性光路 4、光路具有免维护性 5、光电效率高20-30%----LD（10-15%） 6、寿命长 7、体积小重量轻 8、输出功率大 9、节水节电成本 10、造价不断降低 2 、以光纤激光为代表的新型激光结构 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 光纤激光器发展历史和现状 光纤激光器发展趋势 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 可能保持单模，常规固体 激光器是不可能实现的 2 、以光纤激光为代表的新型激光结构 泵浦系统 耦合系统 光纤及输出系统 半导体泵浦全固态光纤激光器基本结构 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 不同类型激光器参数对比 CO2 输出波长 μm 输出功率 kw 光束质量 BPP （mm*mrad） LP-Nd-YAG DP-YAG HPFL 10.6 1-20 1.06 0.5-5 1.06 0.5-5 1.00-1.10 0.5-10 >100 50-80 25-50 1-20 600-800um 400-600um 输出光纤 无 聚焦光斑直径 mm 0.2 0.1 0.1 0.01 体积 电光效率 % 最大 5-15 大 1-3 较大 5-10 非常小 12-20 维护周期 khrs 1-2 <1 3-5 40-50 寿命/hr 10000 1000 10000 100000 50-300um 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 激光加工激光束作用于物体的表面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应加工（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，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。 激光光化学反应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 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：紫外光对光刻很有用 ，1.08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，Fiber Laser的波长为激光加工的发展提供了广阔 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 基横模，淬火却要求高阶模。目前，Fiber Laser输出 的插头效率在20%－30%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：工件表面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；Fiber Laser的功率输出已达千瓦级，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1.08μm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。 2 、以光纤激光为代表的新型激光结构 不同的应用对光束质量的要求 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电镀金属零件， b表面染色的铝制品， c抛光的不锈钢片， d表面有色涂层的铝片 a集成电路芯片， b塑封的晶体管， c皮革制品， d塑料日用品等。 金属软边光阑（提供中国原子 能科学研究院等单位 ） 小孔阵列（提供上海大学） a b 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 上光所研制的SF-1光纤激光打标机 上光所研制的便携式光纤激光打标机 2008 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二 材料加工 (软焊、烧结、切割、打孔等) 中等功率 50W<P<500W (打孔、熔覆、表面处理等) 高功率 >1KW 不锈钢板焊接样品照片 钢板厚度1.5mm，激光功率200W 2 、以光纤激光为代表的新型激光结构 光纤激光器用于不锈钢板焊接实验研究 光纤激光器 保护气体 激光波长～1080nm， 光束直径20mm M2＝1.38 透镜f=30mm 工件 移动工作台 图1： 光纤激光焊接示意图 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二 材料加工 不同类型激光器表面处理效果对比 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 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 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、 已广泛应用于厚金属（10cm）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。 军事领域 –扫雷，软杀伤，激光武器 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 组束 高功率(~10KW) 2 、以光纤激光为代表的新型激光结构 光纤激光器发展历史和现状 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10kw的光纤激光器 2 、以光纤激光为代表的新型激光结构 IPG公司 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，2008年 达到了3亿美元（根据Optech咨询公司的报告《Fibre Lasers 2009》。 2 、以光纤激光为代表的新型激光结构 高功率 现两 技种 术实 光纤激光器的发展趋势 大模场 有源光 纤结合 模式选 择技术 提高单纤输出 功率 改善光束质量 相干组 束技术 提高输出功率同 时保证好的光束 质量 高亮度 高高 亮功 度率 3. 以掺铥光纤激光为代表的新激光波长 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 铥激光的主要应用 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）的最佳 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。 Doppler LIDAR Surgery Remote sensing 3. 以掺铥光纤激光为代表的新激光波长 Tm3+ fiber lasers Tm3+ :YAP lasers Tm3+ :YLF lasers Tm3+ : LLF lasers Tm3+ :YAG …… ceramic lasers 铥的能级图 长荧光寿命(>ms) 高量子效率 商业LD泵浦(780-795 nm) 交叉弛豫 吸收一个泵浦光子 上能级两个光子 3. 以掺铥光纤激光为代表的新激光波长 掺铥光纤的吸收谱（左）与发射谱（右） 三种泵浦方式：790nm（LD）；1300nm （Nd激光器）；1600nm（Er激光器）。 3. 以掺铥光纤激光为代表的新激光波长 近年来掺Tm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 SIOM 掺铥光纤激光器： 烽火科技光纤： 纤芯直径25微米， 纤芯NA为0.08； 内包层为D型结构， 尺寸为400微米。 光纤长度3.5米 双向泵浦的掺铥光纤激光器实验装置 入纤功率 输出功率 斜效率 波长 130W 55W 45% 1.99um附近 SIOM中红外光纤激光器的研究 18000 11500 Relative intensity/counts Relative Intensity/counts 12000 3.5m fiber 8m fiber 11000 10500 10000 9500 9000 8500 1980 1990 2000 2010 Wavelength/nm 2020 2030 17000 16000 37.8W 33.8W 15000 14000 13000 1980 28.6W 1984 1988 1992 1996 2000 Wavelength/nm 不同长度的掺铥光纤 3.5m长的光纤激光器在不 激光器的输出光谱 同输出功率时的光谱 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3-5µm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 。 4.激光技术在光伏太阳能产业的应用 太阳能：可再生清洁能源 太阳能电价 电网等价点 常规能源电价 2015/4/8 4.激光技术在光伏太阳能产业的应用 增强吸收 叠层、聚光 薄膜化 工艺简化 低成本 太阳能电池 高效率 表面处理 优化电极 提高产能 激光技术 快速、精确可控、零接触 4.激光技术在光伏太阳能产业的应用 激光刻槽/边缘隔离 体硅 体硅 激光表面织构 激光打孔/ 激光烧结电极 激光掺杂 激光划线 （薄膜电池） 激光切割 薄膜 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在太阳能电池领域的应用为例介绍 种子光－---------------振荡放大（MOPA）结构 高性能小功率激光器 双包层光纤做为功率放大器 1、脉冲调制的单模LD、 2、固体激光调Q、 主要优点：脉冲参数可调 3、光纤激光声光调Q （重频、脉宽、波形、脉冲能量） 4.激光技术在光伏太阳能产业的应用 4.1激光在硅片上打孔：Why? 背接触型硅电池 EWT、MWT 3000个/s 15~20个脉冲/孔 目标： η> 20% 通过孔 连通发射极或前 电极与金属背电极， 进一步降低屏蔽损耗， 提高光一电转换效率。 4.激光技术在光伏太阳能产业的应用 4.1光纤激光器在硅片上打孔 平均功率80 W， 重复频率80 kHz， 脉冲宽度700 ns的 脉冲光纤激光器 以上输出脉冲参数 可按需要精确调节。 4.激光技术在光伏太阳能产业的应用 4.1激光在硅片上打孔：Laser Zentrum Hannover, Germany 4.激光技术在光伏太阳能产业的应用 4.2 激光在薄膜电池上划线 4.激光技术在光伏太阳能产业的应用 4.2 光纤激光在薄膜电池上划线 高重复频率的脉冲光纤激 光及其倍频绿光激光的光 束质量好，聚焦光斑 小， 易于实现50 μm的线宽要 求，在大型阵列互联型电 池板的制备方面优势明显。 20 W脉冲光纤激光器在玻 璃上的钼层(用于CIGS背 电极)高速扫描显微图 4.激光技术在光伏太阳能产业的应用 4.3 光纤激光切割硅片 SPI 50W CW、250µm、 2.5m/min 20W Pulse、100µm、 0.25/min、200ns、25kHz 4.激光技术在光伏太阳能产业的应用 4.3 光纤激光切割硅片 SPI SPI 连续光纤激光器切割参数 结束语 以上就几个方面介绍激光发展的近期进展 有很多方面没有包括，如： 超快脉冲，薄 片激光等等 如有不够全面之处，望大家指正