3分钟了解微片激光器

微片(Microchip)激光器,是一种激光二极管抽运,用高掺杂的晶体材料作为增益介质的小型全固态脉冲激光器,一般腔长都控制在毫米量级。由于腔长比较短,其大大缩短了谐振腔内的光子寿命,从而更容易实现激光器的短脉宽输出,且光束质量好、激光亮度高,亦可实现单纵模单频激光输出。也正是由于这个特点,使得这类激光器的结构非常紧凑、寿命长、容易批量化生产。

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图1 几种典型脉冲激光特性比较

目前,世界上对微片激光器的定义还不是特别明确,通常意义上认为:微片激光器是一种被动调Q、亚纳秒、高峰值功率的微型固体激光器。

然而,这个定义通常指的是增益介质为Nd:YAG、Nd:YVO4这类的微片激光器,并不全面。例如,对于Er玻璃的被动调Q微型固体激光器,由于脉宽通常在5 ns附近,亚纳秒这个定义就不是十分准确了。另外随着激光器制造水平的迭代升级,越来越多的结构紧凑、小型化的主动调Q的窄脉宽微型固体激光器将面世,微片激光器的定义相信将会被改写。

微片激光器具有很高的性价比、小型化结构,广泛应用于激光测距、激光雷达、激光加工、激光种子源、生物医疗、激光诱导、拉曼光谱检测、质谱及科研等领域。

微片激光器的结构及特点

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亚纳秒被动调Q微片激光器

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图2 亚纳秒被动调 Q微片激光器结构

增益介质为Nd:YAG、Nd:YVO4,被动调Q晶体使用Nd:Cr4+YAG的微片激光器,输出波长在1064 nm,通过倍频可实现532 nm,合频或四倍频后亦可实现355 nm及266 nm激光输出,脉宽比较常见的有1 ns附近,700 ps左右,500 ps等,目前国内可实现最短的脉宽为300 ps。这类激光器,脉宽介于皮秒和纳秒之间,拥有很强劲的峰值功率,同时又可以保证相对很短的脉宽。和纳秒激光器相比,可以弥补纳秒激光器由于脉宽较宽所带来的热效应问题。

例如,在医疗美容行业中,皮肤在纳秒激光器的作用下会产生热效应,操作不当易造成皮肤的损伤,而亚纳秒激光则会在人的皮肤中产生机械效应,达到治疗目标,同时又不会损伤皮肤。再例如,在材料微加工领域,纳秒激光器其脉宽较宽,造成材料的热堆积,从而使得加工效果不理想,而亚纳秒微片激光器恰可以弥补这一不足。

与皮秒或飞秒激光相比,这类微片激光器虽然脉宽和他们相比不够窄,但是百皮秒的脉宽仍可以在绝大部分领域应用,此外,微片激光器由于具有结构紧凑,性价比及稳定性高,更容易批量化生产等特点,在工业领域的应用则更加广阔。

1535 nm被动调Q人眼安全微片激光器

增益介质为Er玻璃的微片激光器,输出波长在1535 nm,可广泛应用于人眼安全测距,目前国内可实现200-300 μJ的能量输出,10-20 Hz的重复频率及5 ns附近的脉冲宽度,这类激光器通常稳定性很高,可用于-40℃~60℃的极限温度使用环境。

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图3 1535 nm被动调Q人眼安全微片激光器结构

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主动调Q窄脉宽激光器

主动调Q窄脉宽激光器并非传统意义上的微片激光器,但是其体积已经做的越来越小,脉宽也做的越来越窄。国内已经做到了脉冲能量250 μJ,重频可达5 kHz,脉宽窄到2 ns的主动调Q激光器,尺寸和微片激光器大小相似。相比于被动调Q亚纳秒微片激光器,主动调Q窄脉宽激光器除了较高的脉冲能量和重频外,其时间抖动可小于1 ns,远低于微片激光器的微秒量级,可以满足一些对时间抖动要求很高的应用领域,如荧光寿命测试等。

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图4 主动调Q窄脉宽激光器及纳秒级时间抖动

微片激光器的主要应用

微片激光器由于其结构紧凑、稳定性高、性价比优越的特点,非常适用于大批量工业化应用。

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测距应用

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图5 人眼安全测距激光器及小型测距模块

测距用激光器种类繁多,所有激光器类型,包括半导体激光器、全固态激光器、光纤激光器等都在测距领域有广泛的应用。

微片激光器在测距应用方面的优势是:体积小、重量轻、宽温度工作范围、峰值功率高。这些指标,造就了微片激光器可以在极限使用环境下,作为发射系统的最关键部件,集成在非常紧凑的设备中,且能探测到相对很远的距离。

目前,激光测距仪正朝着安全性高、测量距离远、精度高、功耗小、小型化的趋势发展。上一代测距机的发射激光不属于人眼安全激光,容易损伤人的视网膜,对使用十分不利。小型化、高可靠性的1535 nm在测距机中的应用越来越广泛,全面普及将是必然趋势。

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图6 人眼安全激光测距系统原理图

近几年基于Er玻璃的1535 nm人眼安全激光的需求与日俱增。尤其在军用领域,由于要求的温度使用范围极其苛刻(一般在-40℃~60℃),且要求非常小且轻的封装,造就了国内1535 nm微片激光器的各项指标逐步优于国外同类产品。

目前已知国内的1535 nm人眼安全测距激光产品中,单脉冲能量200 μJ,重复频率10 Hz,脉宽5 ns的激光器组件,其重量已经做到了10 g以内,长度做到了25 mm;而对于单脉冲能量300 μJ的探测距离更远的激光器,重量做到了12 g以内,长度做到了35 mm。

数据表明,国产的1535 nm人眼安全激光器已经轻松通过了-40℃~60℃极限温度的开机测试,指标优于国外同类产品。此外,对于1 kHz以上高重频要求的1535 nm人眼安全测距激光器,国内水平也做到40 μJ以上的单脉冲能量输出。

小型化人眼安全激光测距机主要由激光发射模块、光学收发系统、激光接收系统和信号处理系统四大部分构成。人眼安全测距系统采用Er玻璃固体激光器,产生几百微焦能量、低重频、窄脉宽的1535 nm激光,采用InGaAs的APD作为信号探测,TDC进行飞行时间测量,从而得到精确的距离信息。

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图7 1535 nm人眼安全激光器在测距领域应用

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三维成像雷达应用

三维激光雷达区别于单点激光测距雷达,除了探测目标有无和距离外,还要通过扫描系统或者面阵成像系统,解决探测目标是什么和怎么样的问题。激光成像雷达在地质与农林特征捕获、军事目标识别与跟踪、建筑设计规划、资源勘探、安防搜救等诸多领域具有广泛的应用市场,该技术应用已经充满了现代文明的每一个角落。

目前主动调Q窄脉宽激光器、被动调Q亚纳秒激光器组件及系统非常适用于这一领域。

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图8 国内应用于三维激光雷达的主、被动调Q OEM激光器组件

典型的单点激光雷达发射经过光学系统准直后的激光信号,照射测量目标,通过光学接收系统收集目标反射、散射的光信号,通过光电探测器和信号处理系统分析获取返回信号的各项信息。为了捕获目标上的多点距离信息,后续相继发展出在成像面进行三维扫描激光雷达、基于面阵探测器技术的三维成像激光雷达。

距离选通技术是利用脉冲激光器和选通摄像机快门配合,使由被测目标场景反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通开启时间内到达摄像机并成像,从而可大大减小后向散射光的影响,提高系统的探测灵敏度和识别距离,这种技术被广泛应用在三维成像激光雷达中。

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图9 扫描式三维激光雷达原理图

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图10 距离选通三维成像激光雷达原理图

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微加工应用

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图11 各类脉冲激光器在硬脆材料微加工领域的特性比较

不同于大功率光纤激光器及全固态激光器,微片激光器更适合用于硬脆材料的微加工领域。

目前微加工系统正朝着更小的体积、更轻的重量以及更精密的加工性能趋势方向发展。传统的硬脆材料加工所用的激光器为纳秒激光器,脉宽普遍在5 ns以上,体积庞大,对环境要求高,稳定性差,且热效应较大,对于很多材料的加工效果并不理想。此外,皮秒、飞秒激光器在微加工性能虽然较好,但价格昂贵,体积庞大。

高功率、高重频的亚纳秒激光器是一类高性价比的准超快激光器,兼具皮秒激光器的加工精度和普通纳秒激光器的价格优势,在精密微加工领域有着广阔的应用前景,倍受工业客户的青睐。

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图12 硬脆材料微加工系统原理图

硬脆材料微加工系统通常由脉冲激光器、CCD相机,激光准直聚焦及成像光学系统、振镜控制系统或多维移动旋转平台、输入/输出控制模块、计算机及控制软件组成。利用激光高能量特性,通过光子与材料的相互作用实现对材料的打标、打孔、划线、切割、内雕等加工。因其具有高效率、高精度、非接触式等优点,广泛应用于微电子、微机械和微光学加工等领域。

小结与展望

除以上应用以外,微片激光器在气象雷达、拉曼检测、激光超声、激光诱导荧光、激光诱导击穿光谱,时间飞行质谱以及医疗美容等领域亦有非常宽广的应用。

随着国内微片激光器技术的不断迭代升级,在常见波长:1535 nm、1064 nm、532 nm、355 nm、266 nm以外,更多的特殊波长如1030 nm、976 nm、946 nm、860 nm、800 nm、515 nm、488 nm、473 nm、430 nm、400 nm、343 nm、257 nm、237 nm、213 nm等也已经或将要加入进来。

此外,对于亚纳秒微片激光器,其重复频率和单脉冲能量将会进一步优化。而对于1535 nm人眼安全微片激光器,其单脉冲能量亦将进一步提升,在保持足够紧凑且稳定的封装结构的前提下,来满足更远距离的人眼安全测距要求。

作者简介

姜再欣,北京杏林睿光科技有限公司销售部经理。经历十八年光电领域的销售及市场工作;在半导体激光器、微片激光器领域具有丰富的技术积累及市场挖掘经验。

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