10多种激光器全面梳理

时间:2022-05-16 09:01来源:华泰证券作者:xuji 点击:
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摘要:以下内容来自华泰证券,研究员章诚、肖群稀、李倩倩,本文仅作交流学习之用! 光纤激光器有多种分类方法,其中较为常见的是按工作方式分类、按波段范围分类及按介质掺杂稀土元素分类。激光器通常也是根据这三个分类中的一至两个来命名的,例如 IPG的 YLM-QCW 系列即翻译为准连续掺镱光纤激光器。光纤激光器应用领域广泛,不同细分的激光器特质不同,适合的应用领域各异

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以下内容来自华泰证券,研究员章诚、肖群稀、李倩倩,本文仅作交流学习之用!

光纤激光器有多种分类方法,其中较为常见的是按工作方式分类、按波段范围分类及按介质掺杂稀土元素分类。激光器通常也是根据这三个分类中的一至两个来命名的,例如 IPG的 YLM-QCW 系列即翻译为准连续掺镱光纤激光器。光纤激光器应用领域广泛,不同细分的激光器特质不同,适合的应用领域各异。例如中红外波段对于人眼来说是安全的,且在水中能够被很强的吸收,是理想的医用激光光源;掺铒光纤由于其合适的波长可以打开光纤通信窗口,在光纤通信领域应用较广;绿光激光由于其可见性,在娱乐与投影等方面必不可少。

脉冲激光器峰值功率高,准连续激光器加工速度快

光纤激光器按照工作方式可以分为锁模光纤激光器、调Q光纤激光器、准连续光纤激光器及连续光纤激光器。实现脉冲光纤激光器的技术途径主要有调Q技术、锁模技术和种子源主振荡功率放大(MOPA)技术。锁模技术可以实现飞秒或皮秒量级的脉冲输出,且脉冲的峰值功率较高,一般在百万瓦量级,但是其输出的脉冲平均功率较低;调Q光纤激光器可以获得脉宽为纳秒量级、峰值功率为千瓦量级、脉冲能量为百万焦量级的脉冲激光。准连续激光器的脉冲宽度为微秒级,而连续激光由泵浦源持续提供能量,长时间地产生激光输出。

连续光纤激光器是高功率激光器的主要产品

连续激光器的激光输出是连续的,广泛运用于激光切割、焊接和熔覆领域。激光泵浦源持续提供能量,长时间地产生激光输出,从而得到连续激光。连续激光器中各能级的粒子数及腔内辐射场均具有稳定分布。其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出,可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行,以连续光源激励的光纤激光器即为连续光纤激光器。相比其他类型激光器,连续光纤激光器能达到相对较高的功率,IPG已经生产出单模2万瓦的连续光纤激光器,较常用于激光切割、焊接和熔覆领域。

准连续光纤激光器可双模式运转,显著提升加工速度

准连续激光器可以同时在连续和高峰值功率脉冲模式下工作。据 IPG 官网,传统的连续(CW)激光的峰值和平均功率在 CW 和 CW/调制模式中总是相同的,而准连续激光器在脉冲模式下的峰值功率要比平均功率高出10倍。因此,这样能够在从几十赫兹到几千赫兹的重复频率下产生具有高能量的微秒和毫秒脉冲,并且可实现数千瓦的平均功率和峰值功率。

准连续光纤激光器将提供更高的电光转换效率,并显著提高加工速度及生产效率。准连续光纤激光器与其它激光系统相比可提供十倍的光电转换效率增量,在被动式冷却方案下能够实现大于30%的电光转换效率。由于其较高的平均功率和脉冲重复频率,其加工速度是大多数激光器的3-4倍。显著降低的电力费用,没有消耗品及零配件,低维护需求,没有预热时间要求,影响叠加将带来成本优化。

脉冲光纤激光器可压缩能量,输出高峰值功率

脉冲光纤激光器又分为调Q光纤激光器和锁模光纤激光器。

调Q技术就是要使激光能量压缩在很短的时间间隔之内,形成高峰值功率和窄脉宽的激光输出。调Q的原理是在激光器内加入一个损耗可调节器件,在大部分时间区域内,激光器的损耗很大,几乎无光输出,在某一个较短的时间内,减小器件的损耗,从而使激光器输出一个强度较高的短脉冲。Q开关是调Q技术的核心器件,可以通过主动或者被动方式实现调Q光纤激光器。

调Q脉冲光纤激光器具有高峰值功率、高单脉冲能量、光斑直径大小可选等特点,广泛应用于非金属、具有高反特性的金、银、铜、铝及非高反材料不锈钢等材料的打标、精密加工、图文标记、深雕刻,薄片精密切割,钻孔等领域。在打标应用方面,相比 CO2 激光器成本更低廉,性能更稳定。

锁模脉冲光纤激光器即通过主动锁模或者被动锁模方法来产生超短脉冲。受限于调制器的响应时间,主动锁模产生的脉宽较宽一般为皮秒量级;被动锁模利用的是被动锁模器件,响应时间很短,可以产生飞秒量级的脉冲。锁模的简要原理是采取合适的措施,使谐振腔中相互独立的纵模在相位上存在一定的关系,即使得相邻纵模的位相差为一常数,则激光器将会输出脉宽极窄、高峰值功率的脉冲。

锁模脉冲激光器具有出色的光束质量,超短脉宽和高脉冲能量等优点,适用于各种材料的微加工工艺,包括金属,玻璃,陶瓷,硅和塑料。在医疗领域,锁模激光器也被用于激光手术刀或眼科手术之中,也有使用例如光化学效应对于某些皮肤护理。由于具有短脉冲和高峰值功率的特点,锁模激光器广泛应用于各种方法的成像,显微镜和光谱学中,还应用于集成电子电路上的电光采样测量及距离测量和频率计量计时等领域。

近红外光是主流,绿光和远红外光各具特性

光纤激光器直接输出的激光多为波长在960nm-2.05μm之间的近红外光。激光器大类按照波长由短到长的顺序涵盖了从X射线到远红外的各类激光器,波长从0.001纳米到1000微米不等。其中光纤激光器直接输出的激光主要在近红外部分。但为了实现不同应用需要,光纤激光器通过倍频可以输出可见光,主要应用是绿光;通过在光纤中掺氟化物可以输出中红外光。

中红外光纤激光器对人眼安全,是理想医用激光光源

中红外激光的波长主要在 23 微米到 3.9 微米左右,需要掺稀土离子的氟化物玻璃光纤介质来激发。从下图光纤激光器红外跃迁产生的荧光光谱中可知,掺钬离子(Ho3+)及掺铒离子(Er3+)被在合适的介质条件下被激发可以直接产生中红外激光。氟化物玻璃光纤激光器在2.3~3.5μm波段具有较高的效率和输出功率,而波长超过3.5μm,能够满足光纤传输和稀土离子跃迁辐射所需低声子能量的材质非常少。单掺 Ho3+氟化物光纤激光器在低温下产生 3.9μm 波段激光,是目前直接输出的最长波长。

中红外激光器由于其波长特性可打开大气窗口,在激光制导、定位和测量等方面应用较广。在军事方面,激光的定向能量和穿过大气传输窗口的远距离传输方面的应用都需要很强的光束能量。在红外导弹对抗当中,中红外激光器可以获得3~5μm 波段的大气传输窗口。数千瓦单模输出的中红外光纤激光器或将进一步大量的应用在反巡航导弹、火箭制导和无人机空域侦查等国防战争平台中。

中红外光纤激光器由于其方向性强及人眼安全的特性,已被广泛运用于医疗领域。中红外激光的波段对于人眼来说是安全的,且在水中能够被很强的吸收,由于激光方向性强的特点,在激光手术中可以达到组织穿透深度浅,对身体损伤的区域很小,从而使手术达到高的精度。在现代医学中,中红外激光在医疗应用中主要是利用光热效应达到治疗或消融病变组织,已经被广泛地应用于骨科、消化科及泌尿科等,成为理想的医用激光光源,用于烧蚀和切割泌尿组织,汽化和切除衰竭的器官等。在富含脂质、骨骼和含蛋白质的组织切割过程中,使用中红外激光器都会附带较小的损伤。

绿光光纤激光器光谱亮度高,转换效率高达 84%

光纤激光器通过倍频可获得绿光输出。倍频绿光光纤激光器虽然不是严格意义上的绿光光纤激光器,因为其激活介质并不直接释放532纳米的激光束,此类型的光纤激光器提供了较窄范围的脉冲持续时间和高达600kHz 的重复频率,高光谱亮度的激光源促成了高效的转换,实现84%的转换效率及大于20%的电光转换效率,且具备升级到355和266纳米下高功率的可行性。

绿光激光器在印刷、医疗、数据存储、军事、生物等领域都有广泛的应用。如 IPG 的绿光光纤激光器可以运用在粒子成像、测速/流量可视化、影像诊断及手术、光学捕获/光学镊子、太阳能电池制造、制造检验&质量控制、全息和干涉测量、娱乐与投影等领域。

掺镱光纤是主导,掺铒掺铥光纤工作波长各显其能

光纤激光器主要采用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质,不同稀土元素对应相异的工作波长。掺杂光纤就是向光纤纤芯中掺入杂质,如稀土元素离子,会导致光纤改性并显现出激光效应。其工作原理是泵浦光首先经过耦合系统耦合进入掺杂稀土离子的增益介质,随后掺杂纤芯中的稀土离子吸收泵浦光子能量发生能级跃迁。如元素铒(Er3+)、镨(Pr3+)、铥(Tm3+)、钕(Nd3+)和镱(Yb3+)等稀土离子都可作为掺杂物制成光纤,随后做成掺杂光纤放大器(XDFA)和光纤激光器(XDFL),不同的稀土元素工作的波长范围不同,但都处于近红外范围内.

掺镱光纤激光器是激光器产业中的主导力量

掺镱光纤激光器以其稳定性高、光束质量好、斜率效率高等优势得到较快发展。掺镱光纤具有很多优势,利用掺镱光纤研制的光纤激光器具有较高的斜率效率和光光转换效率,可以在 1μm 波段得到高功率的激光输出,因此受到广泛关注并得到飞速发展,成为激光器产业中的主导力量,在工业加工、医疗和国防等领域具有很好的应用前景,锐科激光的大部分激光产品采用的都是掺镱光纤。

掺镱光纤激光器主要应用于连续激光器及脉冲调Q激光器方面。由于镱离子能级结构简单,粒子损耗较小使激光器在高功率运转情况下有较高的转换效率和较低的热效应,增益带宽很大(975nm~1200nm)。同时,镱离子的上能级寿命比较长,通常在1毫秒左右,这些因素都有利于调Q技术,因此在脉冲激光器方面已实现了超短脉冲输出。在连续激光器方面,掺镱光纤激光器输出功率已达到万瓦量级。

掺铒光纤激光器是独特的光纤通信窗口

掺铒光纤激光器具有人眼安全波长及超高脉冲能量的特点。掺铒光纤激光器可以实现单模运行,具有极窄的线宽,良好的单色性和稳定性。铒离子具有较宽的增益带宽,能加剧激光器腔内多模振荡,从而实现超短脉冲激光。因其对人眼安全等独有的特点(“人眼安全”是指该波长为 1.5 μm 的激光器显著低于人眼损伤阙值),在自由空间光通信、激光雷达、环境检测、工件校准以及工业加工领域有着广泛的实际应用。

掺铒光纤由于其合适的波长,在光纤通信领域获得越来越广泛的应用。由于掺铒光纤在1550nm 波长具有很高的增益,它约 40nm 宽的增益光谱轮廓正对应光纤通信低损耗的最佳窗口,具有潜在的应用价值。

掺铥光纤激光器可改善含水材料的吸收特性

掺铥光纤激光器具有阈值低、效率高、光束质量好等特点。掺铥光纤激光器是人眼安全波长领域光纤激光器的研究热点,而且掺铥光纤激光器可以在 S 波段(150 - 75mm )工作,对于开发潜在的通信资源频率空间,提高光纤通信系统的容量起着十分重要的作用。调 Q 开关和连续掺铥光纤激光器在过去的几年里已经发展到更高的平均功率,现在已经有一定数量的供应商能提供平均功率为 10W 的商用脉冲激光器。

掺铥光纤激光器被广泛应用于激光医疗、激光雷达、空间光遥感等领域。掺铥光纤激光器输出的激光波长位于 2μm 左右。液态水的强吸收带在约 1950nm,这足够接近标准铥光纤激光器的波长,从而显著提高吸收特性。水普遍存在于许多有机和无机化合物中,意味着大量材料改善了 2μm 光谱范围的吸收特性,因此掺铥光纤激光器被认为是应用于医学、眼睛安全、超快光学、近距离遥感、生物学的比较理想的光源,具有很好的发展前景。同时在医学的领域方面,掺铥光纤激光器也有很多方面的应用,包括加速汽化、超精细的切割工艺、以及在医学中的凝结止血。大功率的掺铥光纤激光器除了可以用于人眼的安全波长和激光雷达光源以外,还能够当做固态晶体激光器的泵浦源来使用,进一步来实现波长更长红外激光器的输出。

光纤激光器性能优势突出,替代效果明显

二氧化碳激光器光转化效率低,使用成本高

二氧化碳激光器是一种分子激光,常用高功率连续激光器之一,主要物质是二氧化碳分子。CO2激光器主要结构包括激光管、光学谐振腔、电源及泵浦。主要特点是输出功率大并可实现连续工作,但是结构复杂体积大、维护较困难。

实现粒子数反转是二氧化碳激光器发光的关键。二氧化碳激光器中工作物质包括二氧化碳、氮气和氦气,输入直流电源后混合气体中的氮分子会受到电子撞击从而被激发,收到激发后的氮分子与二氧化碳分子碰撞时会将能量传递给二氧化碳分子,从而使得二氧化碳分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。

光纤与二氧化碳激光器各有所长,应根据不同需求选取不同工具。从目前应用最广泛的切割加工技术来说,光纤激光器与CO2激光器在面对特定应用需求时有其各自的优势与劣势,并不能完全相互替代而需要互补共存。从加工材料类型来看,受限于吸收效果光纤激光器不适用于切割非金属材料,而常规的CO2激光器不适用于切割铜材、铝材等高反射率材料;从切割速度看,CO2 在厚度>6mm 板材有优势,而光纤激光器切割薄板速度较快;激光切割前需要进行工件穿透,CO2穿孔速度明显快于光纤激光器;从切割断面质量来看,CO2激光器整体优于光纤激光器。

光纤激光器光转化效率更高,使用成本较低。根据测算可得,光纤激光器的使用成本为 23.4 元/小时,二氧化碳激光器的使用成本为 39.1 元/小时,其中,光纤激光器电力成本为 7 元/小时,水冷成本为 8.4 元/小时,其他成本为 8 元/小时;二氧化碳激光器电力成本为 21 元/小时,水冷成本为 12.6 元/小时,其他成本为 5.5 元/小时。

YAG 激光器能量转换效率低,或被逐渐替代

YAG 激光器一般指的是 Nd.YAG 激光器(掺铷钇铝石榴石晶体),属于固体激光。晶体内铷原子含量为 0.6~1.1%,可产生脉冲激光或连续激光,发射光为波长 1.064μm 的红外线。Nd.YAG 激光器常用氪气或氙气灯管作为泵浦灯,因为仅有少数特定波长泵浦光会被Nd 离子吸收,大部分能量会转变成热能,通常情况下 YAG 激光器能量转换效率较低。

随着光纤激光器的发展,YAG激光器或将逐渐被替代。YAG激光器在工业中主要用于切割和焊接工艺,但随着光纤激光器的发展,YAG激光器或逐渐被光纤激光器所替代。在切割领域中,YAG激光器购置成本低,能切割高反光材料,但加工功率低、能耗比大且切割速度较慢,而光纤激光器功率高效率快且免调节免维护;在焊接领域中,准连续光纤激光器出现后开始快速替代脉冲Nd:YAG激光器。与 YAG 激光器相比,准连续光纤激光器可以在微秒至毫秒的脉宽下提供数焦耳到数十焦耳的脉冲能量,其较高的平均功率和脉冲重复频率显著提高了加工速度以及生产效率,相当于同时具备YAG激光器的钻孔和焊接优势以及CO2激光器的切割能力,应用范围更广泛。

半导体激光器现阶段技术仍存局限

半导体激光器又称激光二极管,采用半导体材料作为工作物质。常用工作物质有砷化镓、硫化镉等,激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种方式。半导体激光器主要优点是体积小、效率高能耗低,广泛用于激光通信、激光打医学治疗等领域。此外,通常使用半导体激光器作为光纤激光器泵浦源。

以电注入式半导体激光器为例,半导体材料中通常会添加GaAS(砷化镓)、InAS(砷化铟)、Insb(锑化铟)等材料制作成半导体面结型二极管,当对二极管注入足够大的电流后,中间有源区中电子(带负电)与空穴(带正电)会自发复合并将多余的能量以光子的形式释放,再经过谐振腔筛选放大后形成激光。

直接半导体激光器特点明显,下游应用领域广泛。直接半导体激光器结构紧凑,维护费用低,电光转换效率高达47%,在工业中主要应用为焊接及熔覆。低功率半导体激光器主要应用于塑料焊接以及锡焊,通过光纤输出焊接,实现非接触远距离操作,方便与自动化生产线集成;千瓦级直接半导体可用于熔覆及五金焊接,具有光斑大、电光转换率高的特点。在工业外领域,半导体激光器也被广泛用于军事、信息及医疗和生命科学等方面。

半导体激光器具有加工应用潜力,但受限于技术缺陷存在局限性。研究表明直接半导体激光器具有较强的材料加工应用潜力,相比光纤激光器和二氧化碳激光器具有更好的切割速度和切割质量。但半导体激光器最大的缺点在于其在高激光功率时光束质量低下,目前工业半导体激光器局限于少数几种加工,诸如电镀、铜焊和越来越多的高功率焊接,因此在未来数年,半导体激光器不太可能使整个材料加工领域发生革命性变化或取代其它光源。

根据上文中的分析,我们认为相比 CO2 激光器及 YAG 激光器,光纤激光器成本及应用优势明显,或将实现逐步替代。同时,半导体激光器仍受限于技术瓶颈,目前存在局限性,在未来数年不太能取代其他光源。因此,光纤激光器渗透率提升空间广阔。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:xuji )
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