3分鐘了解微片激光器

微片（Microchip）激光器，是一種激光二極管抽運(yùn)，用高摻雜的晶體材料作為增益介質(zhì)的小型全固態(tài)脈沖激光器，一般腔長(zhǎng)都控制在毫米量級(jí)。由于腔長(zhǎng)比較短，其大大縮短了諧振腔內(nèi)的光子壽命，從而更容易實(shí)現(xiàn)激光器的短脈寬輸出，且光束質(zhì)量好、激光亮度高，亦可實(shí)現(xiàn)單縱模單頻激光輸出。也正是由于這個(gè)特點(diǎn)，使得這類激光器的結(jié)構(gòu)非常緊湊、壽命長(zhǎng)、容易批量化生產(chǎn)。

圖1 幾種典型脈沖激光特性比較

目前，世界上對(duì)微片激光器的定義還不是特別明確，通常意義上認(rèn)為：微片激光器是一種被動(dòng)調(diào)Q、亞納秒、高峰值功率的微型固體激光器。然而，這個(gè)定義通常指的是增益介質(zhì)為Nd:YAG、Nd:YVO4這類的微片激光器，并不全面。例如，對(duì)于Er玻璃的被動(dòng)調(diào)Q微型固體激光器，由于脈寬通常在5 ns附近，亞納秒這個(gè)定義就不是十分準(zhǔn)確了。另外隨著激光器制造水平的迭代升級(jí)，越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)緊湊、小型化的主動(dòng)調(diào)Q的窄脈寬微型固體激光器將面世，微片激光器的定義相信將會(huì)被改寫。微片激光器具有很高的性價(jià)比、小型化結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光加工、激光種子源、生物醫(yī)療、激光誘導(dǎo)、拉曼光譜檢測(cè)、質(zhì)譜及科研等領(lǐng)域。

微片激光器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

圖2 亞納秒被動(dòng)調(diào)Q微片激光器結(jié)構(gòu)

增益介質(zhì)為Nd:YAG、Nd:YVO4，被動(dòng)調(diào)Q晶體使用Nd:Cr4+YAG的微片激光器，輸出波長(zhǎng)在1064nm，通過(guò)倍頻可實(shí)現(xiàn)532nm，合頻或四倍頻后亦可實(shí)現(xiàn)355nm及266nm激光輸出，脈寬比較常見的有1 ns附近，700 ps左右，500 ps等，目前國(guó)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)最短的脈寬為300 ps。這類激光器，脈寬介于皮秒和納秒之間，擁有很強(qiáng)勁的峰值功率，同時(shí)又可以保證相對(duì)很短的脈寬。和納秒激光器相比，可以彌補(bǔ)納秒激光器由于脈寬較寬所帶來(lái)的熱效應(yīng)問(wèn)題。例如，在醫(yī)療美容行業(yè)中，皮膚在納秒激光器的作用下會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，操作不當(dāng)易造成皮膚的損傷，而亞納秒激光則會(huì)在人的皮膚中產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)，達(dá)到治療目標(biāo)，同時(shí)又不會(huì)損傷皮膚。再例如，在材料微加工領(lǐng)域，納秒激光器其脈寬較寬，造成材料的熱堆積，從而使得加工效果不理想，而亞納秒微片激光器恰可以彌補(bǔ)這一不足。與皮秒或飛秒激光相比，這類微片激光器雖然脈寬和他們相比不夠窄，但是百皮秒的脈寬仍可以在絕大部分領(lǐng)域應(yīng)用，此外，微片激光器由于具有結(jié)構(gòu)緊湊，性價(jià)比及穩(wěn)定性高，更容易批量化生產(chǎn)等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用則更加廣闊。

1535nm被動(dòng)調(diào)Q人眼安全微片激光器

增益介質(zhì)為Er玻璃的微片激光器，輸出波長(zhǎng)在1535nm，可廣泛應(yīng)用于人眼安全測(cè)距，目前國(guó)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)200-300 μJ的能量輸出，10-20 Hz的重復(fù)頻率及5 ns附近的脈沖寬度，這類激光器通常穩(wěn)定性很高，可用于-40℃~60℃的極限溫度使用環(huán)境。

圖3 1535nm被動(dòng)調(diào)Q人眼安全微片激光器結(jié)構(gòu)

主動(dòng)調(diào)Q窄脈寬激光器

主動(dòng)調(diào)Q窄脈寬激光器并非傳統(tǒng)意義上的微片激光器，但是其體積已經(jīng)做的越來(lái)越小，脈寬也做的越來(lái)越窄。國(guó)內(nèi)已經(jīng)做到了脈沖能量250 μJ，重頻可達(dá)5 kHz，脈寬窄到2 ns的主動(dòng)調(diào)Q激光器，尺寸和微片激光器大小相似。相比于被動(dòng)調(diào)Q亞納秒微片激光器，主動(dòng)調(diào)Q窄脈寬激光器除了較高的脈沖能量和重頻外，其時(shí)間抖動(dòng)可小于1 ns，遠(yuǎn)低于微片激光器的微秒量級(jí)，可以滿足一些對(duì)時(shí)間抖動(dòng)要求很高的應(yīng)用領(lǐng)域，如熒光壽命測(cè)試等。

圖4 主動(dòng)調(diào)Q窄脈寬激光器及納秒級(jí)時(shí)間抖動(dòng)

微片激光器的主要應(yīng)用

微片激光器由于其結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高、性價(jià)比優(yōu)越的特點(diǎn)，非常適用于大批量工業(yè)化應(yīng)用。

1.測(cè)距應(yīng)用

測(cè)距用激光器種類繁多，所有激光器類型，包括半導(dǎo)體激光器、全固態(tài)激光器、光纖激光器等都在測(cè)距領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

圖5 人眼安全測(cè)距激光器及小型測(cè)距模塊

微片激光器在測(cè)距應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)是：體積小、重量輕、寬溫度工作范圍、峰值功率高。這些指標(biāo)，造就了微片激光器可以在極限使用環(huán)境下，作為發(fā)射系統(tǒng)的最關(guān)鍵部件，集成在非常緊湊的設(shè)備中，且能探測(cè)到相對(duì)很遠(yuǎn)的距離。目前，激光測(cè)距儀正朝著安全性高、測(cè)量距離遠(yuǎn)、精度高、功耗小、小型化的趨勢(shì)發(fā)展。上一代測(cè)距機(jī)的發(fā)射激光不屬于人眼安全激光，容易損傷人的視網(wǎng)膜，對(duì)使用十分不利。小型化、高可靠性的1535nm在測(cè)距機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，全面普及將是必然趨勢(shì)。

圖6 人眼安全激光測(cè)距系統(tǒng)原理圖

近幾年基于Er玻璃的1535nm人眼安全激光的需求與日俱增。尤其在軍用領(lǐng)域，由于要求的溫度使用范圍極其苛刻（一般在-40℃~60℃），且要求非常小且輕的封裝，造就了國(guó)內(nèi)1535nm微片激光器的各項(xiàng)指標(biāo)逐步優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。目前已知國(guó)內(nèi)的1535nm人眼安全測(cè)距激光產(chǎn)品中，單脈沖能量200 μJ，重復(fù)頻率10 Hz，脈寬5 ns的激光器組件，其重量已經(jīng)做到了10 g以內(nèi)，長(zhǎng)度做到了25 mm；而對(duì)于單脈沖能量300 μJ的探測(cè)距離更遠(yuǎn)的激光器，重量做到了12 g以內(nèi)，長(zhǎng)度做到了35 mm。數(shù)據(jù)表明，國(guó)產(chǎn)的1535nm人眼安全激光器已經(jīng)輕松通過(guò)了-40℃~60℃極限溫度的開機(jī)測(cè)試，指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。此外，對(duì)于1 kHz以上高重頻要求的1535nm人眼安全測(cè)距激光器，國(guó)內(nèi)水平也做到40 μJ以上的單脈沖能量輸出。小型化人眼安全激光測(cè)距機(jī)主要由激光發(fā)射模塊、光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)四大部分構(gòu)成。人眼安全測(cè)距系統(tǒng)采用Er玻璃固體激光器，產(chǎn)生幾百微焦能量、低重頻、窄脈寬的1535nm激光，采用InGaAs的APD作為信號(hào)探測(cè)，TDC進(jìn)行飛行時(shí)間測(cè)量，從而得到精確的距離信息。

圖7 1535nm人眼安全激光器在測(cè)距領(lǐng)域應(yīng)用

2.三維成像雷達(dá)應(yīng)用

三維激光雷達(dá)區(qū)別于單點(diǎn)激光測(cè)距雷達(dá)，除了探測(cè)目標(biāo)有無(wú)和距離外，還要通過(guò)掃描系統(tǒng)或者面陣成像系統(tǒng)，解決探測(cè)目標(biāo)是什么和怎么樣的問(wèn)題。激光成像雷達(dá)在地質(zhì)與農(nóng)林特征捕獲、軍事目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃、資源勘探、安防搜救等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)，該技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)充滿了現(xiàn)代文明的每一個(gè)角落。目前主動(dòng)調(diào)Q窄脈寬激光器、被動(dòng)調(diào)Q亞納秒激光器組件及系統(tǒng)非常適用于這一領(lǐng)域。

圖8 國(guó)內(nèi)應(yīng)用于三維激光雷達(dá)的主、被動(dòng)調(diào)Q OEM激光器組件

典型的單點(diǎn)激光雷達(dá)發(fā)射經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后的激光信號(hào)，照射測(cè)量目標(biāo)，通過(guò)光學(xué)接收系統(tǒng)收集目標(biāo)反射、散射的光信號(hào)，通過(guò)光電探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)分析獲取返回信號(hào)的各項(xiàng)信息。為了捕獲目標(biāo)上的多點(diǎn)距離信息，后續(xù)相繼發(fā)展出在成像面進(jìn)行三維掃描激光雷達(dá)、基于面陣探測(cè)器技術(shù)的三維成像激光雷達(dá)。距離選通技術(shù)是利用脈沖激光器和選通攝像機(jī)快門配合，使由被測(cè)目標(biāo)場(chǎng)景反射回來(lái)的輻射脈沖剛好在攝像機(jī)選通開啟時(shí)間內(nèi)到達(dá)攝像機(jī)并成像，從而可大大減小后向散射光的影響，提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度和識(shí)別距離，這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用在三維成像激光雷達(dá)中。

圖9 掃描式三維激光雷達(dá)原理圖

圖10 距離選通三維成像激光雷達(dá)原理圖

3.微加工應(yīng)用

圖11 各類脈沖激光器在硬脆材料微加工領(lǐng)域的特性比較

不同于大功率光纖激光器及全固態(tài)激光器，微片激光器更適合用于硬脆材料的微加工領(lǐng)域。目前微加工系統(tǒng)正朝著更小的體積、更輕的重量以及更精密的加工性能趨勢(shì)方向發(fā)展。傳統(tǒng)的硬脆材料加工所用的激光器為納秒激光器，脈寬普遍在5 ns以上，體積龐大，對(duì)環(huán)境要求高，穩(wěn)定性差，且熱效應(yīng)較大，對(duì)于很多材料的加工效果并不理想。此外，皮秒、飛秒激光器在微加工性能雖然較好，但價(jià)格昂貴，體積龐大。高功率、高重頻的亞納秒激光器是一類高性價(jià)比的準(zhǔn)超快激光器，兼具皮秒激光器的加工精度和普通納秒激光器的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在精密微加工領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，倍受工業(yè)客戶的青睞。

圖12 硬脆材料微加工系統(tǒng)原理圖

硬脆材料微加工系統(tǒng)通常由脈沖激光器、CCD相機(jī)，激光準(zhǔn)直聚焦及成像光學(xué)系統(tǒng)、振鏡控制系統(tǒng)或多維移動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、輸入/輸出控制模塊、計(jì)算機(jī)及控制軟件組成。利用激光高能量特性，通過(guò)光子與材料的相互作用實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的打標(biāo)、打孔、劃線、切割、內(nèi)雕等加工。因其具有高效率、高精度、非接觸式等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微電子、微機(jī)械和微光學(xué)加工等領(lǐng)域。

三小結(jié)與展望

除以上應(yīng)用以外，微片激光器在氣象雷達(dá)、拉曼檢測(cè)、激光超聲、激光誘導(dǎo)熒光、激光誘導(dǎo)擊穿光譜，時(shí)間飛行質(zhì)譜以及醫(yī)療美容等領(lǐng)域亦有非常寬廣的應(yīng)用。隨著國(guó)內(nèi)微片激光器技術(shù)的不斷迭代升級(jí)，在常見波長(zhǎng)：1535nm、1064nm、532nm、355nm、266nm以外，更多的特殊波長(zhǎng)如1030nm、976nm、946nm、860nm、800nm、515nm、488nm、473nm、430nm、400nm、343nm、257nm、237nm、213nm等也已經(jīng)或?qū)⒁尤脒M(jìn)來(lái)。此外，對(duì)于亞納秒微片激光器，其重復(fù)頻率和單脈沖能量將會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化。而對(duì)于1535nm人眼安全微片激光器，其單脈沖能量亦將進(jìn)一步提升，在保持足夠緊湊且穩(wěn)定的封裝結(jié)構(gòu)的前提下，來(lái)滿足更遠(yuǎn)距離的人眼安全測(cè)距要求。

微片激光器,被動(dòng)調(diào)Q亞納秒激光器產(chǎn)品詳情請(qǐng)查閱：http://www.haoyi1688.cn/laser/microchip-laser.html