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半導(dǎo)體激光器 激光切割 激光器
新聞聚集
翠綠寶石、紫翠寶石、金綠寶石……激光器,這是同一種激光器嗎?
材料來源:中國激光          

 

Long long ago,寶石界的“網(wǎng)紅”橫空出世。

此寶石在不同的光源照射下,不同光照角度和觀測角度下,可以呈現(xiàn)出不同的顏色,人稱“白晝里的祖母綠,黑夜里的紅寶石”。

可綠可紫可金的寶石Alexandrite

這寶石什么來頭?

 

Alexandrite的分子式為Cr:BeAl2O4,也就是摻雜有鉻離子的鋁酸鈹晶體。鉻離子在可見光范圍內(nèi)具有很寬的吸收譜,而且具有強烈的波長選擇性,而鋁酸鈹晶體的雙折射特性又增強了這種選擇性,使得晶體對不同方向、不同偏振態(tài)的光,吸收譜出現(xiàn)較大差異,再加上光源本身的光譜特性,而使得晶體呈現(xiàn)出了不同的顏色。

Alexandrite是一種優(yōu)秀的激光材料。翠綠寶石激光器(本文均采用翠綠寶石激光器的稱呼)在1979年由美國聯(lián)合公司推出,其優(yōu)越的性能立即引起各方面的廣泛關(guān)注。但諸多因素限制了翠綠寶石激光器的發(fā)展。

(1)翠綠寶石生長較為困難,難以獲得高質(zhì)量、大尺寸的晶體。尤其在我國,雖經(jīng)過科研單位多年的研究,仍未取得重大突破。

(2)翠綠寶石晶體本身的受激發(fā)射截面較小,在泵浦的時候需要較大初始功率以突破閾值。

(3)翠綠寶石晶體雖然可用半導(dǎo)體直接抽運,但是適合抽運翠綠寶石的高功率半導(dǎo)體激光器沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,價格非常昂貴(相比808nm半導(dǎo)體激光器而言)。

目前這三大限制翠綠寶石激光器發(fā)展的因素都已解決。

青島海泰光電技術(shù)有限公司通過多年技術(shù)積累,已經(jīng)掌握了生長高質(zhì)量、大尺寸翠綠寶石晶體的核心技術(shù)。目前可以生長等徑長度150mm、直徑3英寸的高質(zhì)量翠綠寶石晶體。

青島海泰技術(shù)有限公司生長的晶體毛坯(正面光和背面光照明)
晶體直徑70mm,等徑長度140mm

抽運技術(shù)的發(fā)展,使得抽運光源較容易突破翠綠寶石晶體的閾值,令翠綠寶石晶體具有較高的斜效率(高于Nd:YAG晶體)這一優(yōu)勢體現(xiàn)出來。另外,近年來,激光顯示對波長為638-640nm的大功率紅光半導(dǎo)體激光器的需求,使得638nm大功率紅光半導(dǎo)體激光器的價格有了顯著的下降,而該波長的半導(dǎo)體激光器非常適合用于抽運翠綠寶石激光器。

翠綠寶石晶體的激光性能參數(shù)

  • 可調(diào)諧范圍寬(~700-850nm)

  • 上能級壽命長 260μs (Ti:S – 3μs)  

  • 高熱導(dǎo)性 23 Wm-1K-1(2倍于 Nd:YAG)

  • 高抗裂強度(5倍于 Nd:YAG)

  • 輸出線偏振光(無退偏效應(yīng))

  • 高損傷閾值 (>270J/cm2)

  • 受激發(fā)射截面較小(0.5-2 x 10-20cm2)

轉(zhuǎn)換效率相較Nd:YAG的優(yōu)勢:

  • 更高的斜效率(71%, laser-pumped)
  • 更低的量子虧損 (15% vs. 24%)
  • 轉(zhuǎn)換到紫外激光的效率更高(二倍頻 vs. 三倍頻)

翠綠寶石吸收光譜曲線

寬吸收譜適用于燈抽運和紅光激光二極管抽運

 

基于上述的激光性能,翠綠寶石激光器主要發(fā)展出了以下五個方面的應(yīng)用。

醫(yī)學(xué)激光脫毛:常用輸出波段755nm的翠綠寶石激光器

工作原理是激光的“選擇性光熱效應(yīng)”,毛囊和毛干的黑色素選擇性吸收光能,由此產(chǎn)生熱效應(yīng)使皮下的毛囊凝固環(huán)死,毛發(fā)便不再生長。

光化學(xué):對應(yīng)輸出波段0.7~0.8 µm的翠綠寶石激光器

在兩級光化學(xué)方案中,將調(diào)Q輸出的翠綠寶石激光調(diào)諧到特定波長,輸出光子能激勵混合反應(yīng)劑的化學(xué)元素,用可見和紫外波段更大能量的光子進行分解,使光在反應(yīng)過程中的速度最大(與光效率成正比)達(dá)到化學(xué)產(chǎn)品的高產(chǎn)。

遙感:氣象測量和污染監(jiān)控等領(lǐng)域較成熟技術(shù)之一

美國宇航局(NASA)采用光雷達(dá)系統(tǒng)的翠綠寶石激光在氧氣吸收波長上測量大氣壓和溫度分布。由于翠綠寶石激光可被調(diào)諧到水吸收譜線(720 nm左右),采用這一相同激光系統(tǒng)的光雷達(dá)可測量濕度。

材料處理:半導(dǎo)體、銅、鋁等材料處理效果優(yōu)異

在對半導(dǎo)體處理如退火、背表面吸氣和摻雜劑擴散等方面,翠綠寶石激光處理的效果較好。在材料打孔方面,翠綠寶石激光所打的孔一致性更好,而且能以較快的速度加工銅和鋁。

國防應(yīng)用:翠綠寶石激光器是干擾CCD激光器的首選

在現(xiàn)代軍事對抗領(lǐng)域,有效干擾或者破壞偵查衛(wèi)星及巡航導(dǎo)彈等的“眼睛”——CCD探測器及制導(dǎo)導(dǎo)引頭已經(jīng)成為克敵制勝的關(guān)鍵。由于低軌照相偵查衛(wèi)星和激光制導(dǎo)武器導(dǎo)引頭的相應(yīng)波段處于可見到近紅外區(qū)范圍內(nèi),因此相應(yīng)波長的激光器就成為了理想的干擾源。與Ti:AI2O3激光器相比,翠綠寶石晶體上能級粒子可存儲更大能量,熱導(dǎo)率大,容易調(diào)Q輸出并獲得高的峰值功率和大單脈沖能量;與Nd:YAG激光器相比,具有波長短在可見光波段特征波長下可以實現(xiàn)波長調(diào)諧的特性,更容易削弱探測器的抗干擾能力并實現(xiàn)干擾。

近幾年,固體激光器以其高脈沖能量,寬可調(diào)諧范圍,超短脈沖,靈活頻率轉(zhuǎn)化方式等優(yōu)勢,在很多領(lǐng)域得到了良好的發(fā)展。這些恰恰也是翠綠寶石晶體激光器的特點。相信隨著激光材料、激光器生產(chǎn)、激光應(yīng)用等相關(guān)方的共同努力,翠綠寶石晶體激光器將迎來更廣闊的發(fā)展前景。


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