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长光华芯泵浦源助推固体激光器发展

2019-05-27 17:28
来源: 长光华芯

近年来,激光加工市场需求增长显著,固体激光器以其脉宽窄,输出能量大,峰值功率高及材料吸收好等特点,在精细微加工和特殊材料加工领域表现出色,受到市场广泛的好评与认可。

固体激光在国防、加工、医疗和科学研究领域有着广泛的用途,在工业领域,除了传统的激光打标、划线、切割、钻孔、材料去除、表面处理及特殊材料加工等应用外,近年来增材制造、新型显示、UV激光标识等新技术的发展进一步拓宽了固体激光的应用领域。

图1 华为Mate X手机

随着华为Mate X 5G折叠手机的推出,创造性的柔性屏技术和更高速通信手段将引领手机市场的新风向,这或带动固体激光市场的进一步增长。5G手机的天线及玻璃后盖需要采用精细的超短脉冲激光进行加工。OLED(有机发光二极管)作为一种新兴的柔性显示技术,在制造过程中对精度要求非常高。超短脉冲激光冷切割工艺采用非接触式加工方式,以切割边缘崩边小、精度高,大幅提高了工件的良率及加工效率,成为OLED柔性屏加工的理想选择。

固体激光器是一种通过谐振腔与掺杂晶体将泵浦光能量转换为信号光的装置,其中泵浦光主要由半导体激光器提供。半导体激光器是固体激光器的核心器件之一。工业固体激光的掺杂晶体大多掺杂稀土元素Nd3+离子,常见的如Nd:YAG、Nd:YVO4等,其泵浦源多采用808nm波段或878nm波段的半导体激光器。以Nd:YVO4为例,其光谱吸收谱线如下图所示:

图2  Nd:YVO4晶体的吸收曲线

Nd:YVO4在808nm波段具有较高的吸收系数与较宽的吸收光谱,是目前应用最广泛的泵浦波段。但是,808nm泵浦源存在约0.3nm/℃的温度漂移系数。当工作环境温度发生变化时,泵源的中心波长将产生漂移,进而影响Nd:YVO4晶体对泵浦光的吸收效率,降低固体激光器的光光转换效率和输出光功率。因此,固体激光器工作时需要对泵浦源进行TEC温度控制,这是目前已经很成熟的应用方案。经长光华芯多家用户反馈,泵浦源的中心波长控制在808±3nm即可实现大于53%的光光转换效率,满足实际的使用需求。

Nd:YVO4在878.6nm波段的吸收系数较低且吸收谱宽较窄,但相比于808nm波段泵浦,其量子效率更高,相同泵浦注入功率下,产生的热量将减少30%-50%,可有效降低高注入功率下的“热效应”问题,获得更好的光束质量和更高的输出功率。但Nd:YVO4在878.6nm处吸收光谱较窄,即使采用TEC制冷的方式对泵源的波长进行控制,其光谱宽度仍无法保证晶体的有效吸收转换。所以,工业固体激光器在878.6nm波段一般选用波长锁定的泵浦源产品。泵源波长锁定后,光谱宽度可以收窄到小于1nm,同时中心波长基本不随温度变化,可以与878.6nm波段的吸收峰实现最佳匹配。由于878.6nm泵源需要波长锁定,成本方面要高于808nm泵源。

图3 长光华芯808nm/880nm光纤耦合模块

长光华芯的高亮度808nm和878.6nm光纤耦合模块,采用长光华芯量产的超大光腔808nm和880nm单管芯片,并通过精密的光学封装和严苛的工艺过程控制,实现稳定可靠的光纤耦合输出:

(1)808nm泵浦源产品,400μm输出光纤芯径输出功率25W-120W(如图4,5),波长范围控制在±3nm,光谱宽度(FWHM)<3nm,经客户实测光光转换效率达到53%。

(2)878.6nm波长锁定泵浦源产品,400μm输出光纤芯径最高输出140W(如图6,7)。该产品采用外腔波长锁定技术,可达到全电流范围波长锁定,即使客户实际在低电流调试时使用,依然能够保证中心波长稳定在吸收峰内,给调试和生产带来极大的便利性。锁定后的波长温度漂移系数<0.02nm/℃,光谱全宽<1nm。

另外,长光华芯采用与工业光纤激光器泵浦源相同的耦合模块设计与工艺,使生产制造的固体激光器泵浦源产品在工业环境中的可靠性同样得以保证。

图4 25W 400μm 808nm 光纤耦合模块LIV与光谱数据

图5 120W 400μm 808nm 光纤耦合模块LIV与光谱数据

图6 75W 400μm 878.6nm 光纤耦合模块LIV与光谱数据

图7 110W 400μm 878.6nm 光纤耦合模块LIV与光谱数据

长光华芯用于固体激光器泵浦的光纤耦合模块可实现近乎平顶分布的光束输出(如图8),平顶分布的泵源光束耦合到掺杂晶体内部时,泵源能量在截面方向被晶体均匀吸收。相比于高斯光束光束能量集中在中心区域,平顶分布泵浦下晶体内的热分布比较均匀,热梯度较小,从而降低固体激光器的热透镜效应,改善固体激光器的输出光束质量,提高光光转换效率。

图 8 长光华芯878.6nm光纤耦合泵浦源输出光束能量分布

长光华芯的808nm与878.6nm光纤耦合固体激光器泵浦源经过近两年在客户处的使用示范验证,产品性能稳定可靠,光光转换效率高,采用自主研发并量产的单管芯片,波长控制优异,具有高性价比的明显优势。

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