光纖激光器及半導體激光器的標準制定
自1962年世界上第一臺半導體激光器發明問世以來, 半導體激光器發生了巨大的變化,極大地推動了其他科學技術的發展, 被認為是二十世紀人類最偉大的發明之一。
半導體激光器的應用范圍覆蓋了整個光電子學領域, 已成為當今光電子科學的核心技術。由于半導體激光器的體積小、結構簡單、輸入能量低、壽命較長、易于調制以及價格較低廉等優點, 使得它目前在光電子領域中應用非常廣泛, 已受到世界各國的高度重視。
半導體激光器由于具有體積小、重量輕、效率高等眾多優點,誕生伊始一直是激光領域的關注焦點,廣泛應用于工業、軍事、醫療、通信等眾多領域。但是由于自身量子阱波導結構的限制,半導體激光器的輸出光束質量與固體激光器、CO2激光器等傳統激光器相比較差,阻礙了其應用領域的拓展。近年來,隨著半導體材料外延生長技術、半導體激光波導結構優化技術、腔面鈍化技術、高穩定性封裝技術、高效散熱技術的飛速發展,特別是在直接半導體激光工業加工應用以及大功率光纖激光器抽運需求的推動下,具有大功率、高光束質量的半導體激光器飛速發展,為獲得高質量、高性能的直接半導體激光加工設備以及高性能大功率光纖激光抽運源提供了光源基礎。
大功率半導體激光器是一類用途非常廣泛的光電子器件,輸出功率可以高達百瓦、千瓦,甚至準連續輸出功率達萬瓦以上,而且這些器件的能量轉換效率可高達 50%以上。半導體激光器相對于其他類型激光器的最大特點就是波長多樣性,隨著應用領域的不斷拓寬,大功率激光器的研究幾乎包括整個650-1 700 nm波段。目前大功率半導體激光器以及大功率半導體激光器泵浦固體激光器在材料加工、激光打標、激光打印、激光掃描、激光測距、激光存儲、激光顯示,照 明、激光醫療等民用領域,以及激光打靶、激光制導、激光夜視、激光武器等軍事領域均得到廣泛應用。
光纖激光器的發展幾乎與激光器并 駕齊驅。早在1961年,美國光學公司就開始了光纖激光器的研究工作。20世紀80年代英國南安普頓大學的S.B.Poole等人用MOCVD法制成低損 耗的摻鉺光纖,由于摻鉺光纖激光器激射波長恰好位于光通信的低損耗窗口,隨著摻鉺光纖放大器(EDFA)在光通信領域中的地位不斷提高,才使光纖激光器成 為研究熱點。但是,早期的光纖激光器是將泵浦光直接耦合進直徑小于10 Lm的單模光纖芯,耦合效率低,導致光纖激光器的輸出功率較低,一般輸出功率為毫瓦量級。然而,大多數應用領域更需要瓦級的光功率輸出。由于受到光纖制作 技術、泵浦光源以及光學技術的限制,光纖激光器發展比較緩慢。直到1988 年美國寶麗來公司Snitzer 等人發明了具有內包層結構的摻Nd3+雙包層光纖激光器,使得摻雜光纖的吸收效率有了顯著的提高,在十幾米甚至更遠距離內吸收效率達到90% 以上。雙包層光纖的發明為瓦級甚至更高功率單模光纖激光器的實現提供了堅實的基礎。20世紀90年代后期,隨著半導體激光器及其摻雜光纖制作技術的日益成 熟,光纖激光器的研究也取得了重大進展,其輸出功率從1994年的500mW提高到2002年的2000W。
高功率光纖激光器將半導體激光器泵浦技術和雙包層光纖摻雜制造技術有機結合起來,吸收兩者優勢,將高功率、低亮度、廉價的多模LD光通過泵浦雙包層光纖結 構, 實現高亮度、衍射受限的單模激光輸出,大大提高了耦合及轉換效率,增加了輸出激光功率。它以散熱性能好、轉換效率高、激光閾值低、可調諧范圍寬、光束質量 好、免維護等顯著優勢,受到各國科技工作者的重視。
光纖激光器應用范圍非常廣泛,包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業造船、汽車制造、激光雕刻、激光打標、激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割 /焊接(銅焊、淬水、包層以及深度焊接)、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設,作為其他激光器的泵浦源等等。
目前,隨著光纖通信系統的廣泛應用和發展,超快速光電子學、非線性光學、光傳感等各種領域應用的研究已得到日益重視。其中,以光纖作基質的光纖激光器,在 降低閾值、振蕩波長范圍、波長可調諧性能等方面,已明顯取得進步,是目前光通信領域的新興技術,它可以用于現有的通信系統,使之支持更高的傳輸速度,是未 來高碼率密集波分復用系統和未來相干光通信的基礎。目前光纖激光器技術是研究的熱點技術之一。
我國加緊制定半導體激光器和光纖激光器二個產品標準
由“全國光輻射安全和激光設備標準化技術委員會”(SAC/TC284)歸口組織編寫的“半導體激光器總規范”,以及由(SAC/TC284)下屬的“大 功率激光器應用分技術委員會”(TC284/SC2),組織編寫的“光纖激光器總規范”這二個產品標準正在加緊制定中。
“半導體激光器總規范”是由西安炬光科技公司牽頭,中科院西安光機所、北京國科激光公司、武漢華工正源光子公司、中科院半導體所、中國電子科技集團13所和44所等7個單位的21位專家,聯合制定的這項標準將作為國家標準實施的。
已于2013年上半年將征求意見稿發到行業內的147個單位,在征集意見的基礎上于2013年6月下旬在京召開了標準征求意見稿會議,以便形成送審稿。
“光纖激光器總規范”由武漢銳科光纖激光器技術公司牽頭,武漢華工激光工程公司、華中科大激光加工國家中心、深圳大族激光等4個單位的6位專家,于 2012年9月完成了討論稿。并擬聯合中科院長春光機所、上海光機所等單位共同制定作為我國的行業標準,計劃2014年完成。
直接半導體激光器和光纖激光器在工業方面的應用,尤其在發展我國高功率激光切割、激光焊接、激光熔復,以及激光直接制造等方面的應用前景,和參與國際市場的競爭,此二標準的影響將是深遠的。