未来十年国内激光器产业前景如何？

激光具有高相干性、方向性、高强度的特质，很容易获得很高的光通量密度，将强的激光束聚焦到介质上，利用激光束与物质相互作用的过程来改变物质的性质，这就是激光加工。

激光加工技术随着光、机电、材料、计算机、控制技术的发展已经逐步发展成为一项新的加工技术。激光加工具有加工对象广、变形小、精度高、节省能源、公害小、远距离加工、自动化加工等显著优点，对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等的作用愈来愈重要。

激光加工主要应用在电子、汽车、机械制造、钢铁冶金、石油、轻工、医疗器械、包装、礼品工业、钟表、民爆、服装、化妆品、烟草、航空航天等行业，而且应用范围越来越扩大，在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标、激光雕刻、激光测量测距、激光金属探伤等方面已得到广泛应用。

1999年世界激光产品销售约49亿美元, 约合人民币400亿元，并以每年11%以上的速率增长。

1996年至2000年，全球激光加工系统的销售额以年均13%的增长率增长，2001年以来，每年也有12%以上的增长率，而半导体激光器、全固化固体激光器、准分子激光器加工系统增长更快，达23％，这反映出微电子工业、通讯工业及微光机电一体化系统的发展需要非常崭新的加工手段来满足制造上的需求。

从激光加工系统应用来看，以1999年的应用为例：销售额的30％用于激光切割、29％用于激光标记、15％用于激光微加工，13％用于激光焊接、其它应用占9%。

目前，用于激光加工的工业激光器主要有两大类：固体激光器和气体激光器。其中，固体激光器以Nd:YAG 激光器为代表；而气体激光器则以 CO2 激光器为代表。随着激光技术的发展，目前人们也开始在某些加工应用场合使用大功率光纤激光器和大功率半导体激光器。

成都激光加工厂研发制造的 Nd:YAG 激光器的激光工作物质为固态的 Nd:YAG 棒，其激光波长为 1.06μm。由于该种激光器的激光转换效率较低，同时受到 YAG 棒体积和导热率的限制，其激光输出平均功率不高。

但由于 Nd:YAG 激光器可以通过 Q 开关压缩激光输出的脉冲宽度，在以脉冲方式工作时可获得很高的峰值功率（108W），适用于需要高峰值功率的激光加工应用；其另一大优点是可以通过光纤传输，避免了复杂传输光路的设计制作，在三维加工中非常有用。

此外，还可以通过三倍频技术将激光波长转换为 355nm（紫外），激光器和计算机连接，在激光立体扫描、造形技术中得到很好地应用。

CO2 激光器的激光工作物质为 CO2 混合气体，其主要应用的激光波长为 10.6μm。由于该种激光器的激光转换效率较高，同时激光器工作产生的热量可以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外，其激光输出平均功率可以做到很高的水平（万瓦以上），满足大功率激光加工的要求。

激光加工是未来材料加工应用发展的趋势之一，而 CO2 激光加工一直占激光材料加工中最主要的地位，世界激光市场也以 CO2 激光机器为主力，约占全部的七成左右，每年以百分之十左右的速度增长。近几年来，随着国际和国内整体产业环境的改变，在产业水准提升、专业人员缺乏、自动化需求增加、产品附加价值和加工质量有待提高的压力下，激光加工应用已逐渐被国内产业界接受并采用。

由于我国激光器的研发和制造起步较晚，市场拥有量较低，应用领域越来越广，短期内可维持较高的激光市场增长率，加工应用的市场潜力也很大。

但产业界和工业 CO2 激光的使用者，仍然有许多问题需要去解决，尤其在相关技术人员的养成训练和新的加工应用领域开拓这两方面，更须下大力气。激光激光的前景是广阔的，激光加工手段的不断进步必将带来材料加工领域的一次革命。

一、中国的激光武器

激光武器是所有新概念武器中最有可能用于实战的，它在未来战争中有举足轻重的作用！目前世界上以中美俄水平最高。中国在六十年代初的时候就开始对它进行重点研究，只可惜从七十年代到八十年代中期的这段时间里搁置了，从这以后截止到目前取得了很大进展！因为此类武器的研究属于国家高度机密，因此到底进展到何种程度我们很难知道。1965年西南技术物理研究所制成铝石榴石（Nd：YAG）激光晶体，翌年制成YAG激光器，1972年高重复频率调QYAG激光器研制成功。用于军用光纤通信的半导体激光器也在1960年代中期开始研制，20年内中国先後研发出C02激光器、氩离子激光器、环形激光器、稳频激光器、远红外激光等，并於1970年代中期开始量产用于陆军武器测距、d道测量、人造卫？星测距、大气激光通信、光纤通信、海军武器测距、陆空军武器导引等方面的系统。1974年王大珩率团出访美加介绍了大陆国产强激光装置已打出了中子，令人刮目相看，加国专家表示两国已处于同一水平。1986年上光所建成尖峰疽功率超过1012瓦的强脉冲激光试验装置，张爱萍上将将它命名为“神光”，使中国成为继美、苏、法、日之後拥有同类设备的国家。中国新一代飞杪级超短超强激光装置已在1996年由上海光机所研制成功，并通过验收，标志著中国的强激光技术又踏上一个新台阶。中国将在2000年以後在强激光武器领域有更大的进展，并初步具备量产化能力，届时中国可能有能力威胁在大陆近岸活动的美国“曙光女神”超高速战略侦察机。

二、中国空军CYAL-1A机载激光武器系统

依据发展和完善武装力量的最新理论，中国国防部现在对开发和装备新概念武器的重视程度愈发地高涨。这其中最为引入注目的便是大功率机载激光武器系统。目前，该项目由中国空军部负责全面领导，同时反导d防御局和601、603、chengdu 等希望获得军方订货的企业也直接参与了研制工作。

603负责制定建造机载激光武器的总体方案，并研发作战指挥系统和其他一系列相关的机载系统，安装激光武器部件，根据军方需求改装运输平台(运输机)，同时还要对各个分系统进行整合。这其中，最重要的一个组件是射击控制系统。601负责研制合适的光学设备，光束控制系统，一系列的主、被动光电探测和目标跟踪系统，以及将强激光束准确引向目标的制导装置。xxx 主要负责研制可批量生产的兆瓦级氧-碘化学脉冲激光发射器。除此之外，该公司还将主持建造强力激光器的地面保障系统。为了实施机载激光武器系统的建造计划，中国军方将会组织开展一系列的科研和试验设计工作，对光电系统进行实验室和室外测试，并编制用于激光武器自动化控制的系统程序。中国专家认为，机载激光武器系统必须能够自主地发现、识别并摧毁400公里以内的来袭d道导d、巡航导d和各型战机。根据中国空军司令部的计划，装备有激光武器的飞机将主要用于在距离前线100公里远的安全区域执行巡逻任务，在夺取制空权后，其位置还会向更接近前线的地方移动。据中国空军测算，要保证在导d威胁区域的24小时巡逻和对敌方实施不间断的监视，至少需要装备5架配备有机载激光武器系统的新型飞机。中国现在的目标是，要在2009年组建一个由7架这种飞机组成的飞行中队。在和平时期，这些装备有激光武器的飞机将会被部署在中国本土的基地中，为了随时前往作战地区执行打击任务，这些保持飞机均将保持24小时战备状态。为了保证机载激光武器系统的作战效能，在这些常备基地中将会储存充足的航空油料和产生强激光束所需的化学试剂。据悉，在进行重新部署时，每架作战飞机有可能会携带多达20吨的化学试剂。其他的保障物资将会由军用运输机运往临时基地。每套机载激光武器系统包括：一架由波音Y8-600F改装而来大型固定翼飞机，一个由14个部件组成的红外波段强激光发生器，一套作战指挥系统，一个由多种主、被动光电探测和跟踪设备构成的射击控制系统，以及制导系统和一些保障设备。改装后的Y8-600F安装有4台CF6-80C2B1F型发动机或是RB 211-524 G(H)发动机。其一次地面加油后的巡航时间约为6小时。为了维持所需的战斗效能，同一巡逻区域将会部署两架作战飞机。除了上述的Y8-600F外，中国还研制了一种代号为YAL-1A的空中平台。与Y8相比，YAL-1A的机翼长度有所增加，货舱舱门也经过了加固。由于装备了激光武器系统，新机的外形也非常特别--机头整流罩被设计成了球形，其下方安装了发射装置。据中国空军介绍，YAL-1A上安装的用于瞄准聚焦的透镜直径到达了1.5米。

三、激光武器的出现对我军军事装备的影响：

1、激光武器将被大量用于各种类型的作战平台上，以抢占这作战领域的攻击制高点。

2、信息战将提升到前所未有的重要程度。激光武器具有无提前量极高速攻击能力，具有发现目标即等于击中目标的能力，一旦被发现，目标根本无法运用自身的机动能力摆脱激光武器的攻击。因此，一方面要求我方具有先敌发现的卓越侦察能力，另一方面要求自身的军事装备不被敌方发现，围绕这一点，我方的任务是：

A、 建立强大的CI4系统能力并有在敌方干扰、破坏下保持这一能力的能力；

B、 具有干扰、破坏敌方CI4系统的能力，电磁武器、微波武器的地位将大大提高；

C、大力加强自身军事装备全面隐形化的能力；

3、新材料的运用举足轻重，各国将拼命研究抵抗高温的材料，并将它运用于军事装备上。

4、在同等CI4系统能力下，传统攻击性武器，尤其是导d的威力将大减，导d的速度与激光相比太慢，其红外特征太明显，易为敌方的激光武器摧毁，近距离的、在地平线上（由武器视角看）起作用的、打击点目标的导d将被激光取代，导d的存在价值是A、对超地平线的目标起作用；B、对非点目标（具有相对广大的面和体目标）起作用。但是导d必须做到不被敌方发现。电磁炮相比导d来说速度很快，达到每秒30~50公里，是现有导d最快速度每秒10公里的3~5倍，敌方的反应速度被大大降低，而且电磁d头很小，发射时红外特征不明显，故隐身能力大大超越d道导d，一旦电磁炮技术成熟，将立即取代d道导d的地位。

――――据外电通讯社引述北京消息人士指出，――――

解放军最近在西部地区成功地运用激光武器拦截来袭的低空巡航导d。这项激光防御技术极可能成为中国发展自己的导d防御系统（TMD）的一个组成部分。消息并指出，这次激光实验是在青海与西藏高原进行，这一技术的成功运用显示出大陆目前已有能力使用武器拦截低空巡航导d。过往的反导d系统通常是以地对空导d在空中击落攻击导d，而激光系统则是利用激光摧毁导d的指引系统，使导d落地而不引起破坏。 此次激光武器试验是我国广大国防科研人员经数十年不懈努力取得的一项突破性成果，在试验过程中，激光发生器的最大瞬时功率达到惊人的XXXXX.XX兆瓦，持续发生功率也有XXXX.XX兆瓦，光束持续照射时间达到XXXX秒，目标跟踪、调校装置的精度也完全达到了试验设计要求，仅用X秒便捕获了远在数千公里目标区飞行的导d，照射0.X秒后直接引爆，试验结果是振奋人心的！

1 端面泵浦（End Pump）固体激光器

端面泵浦方式最大的优点就是容易获得好的光束质量，可以实现高亮度的固体激光器。所以，对端面泵浦的尝试一直也没有停止过。在该系统中，泵浦源采用8W的半导体激光器，输出后经柱状棱镜组整形，将光束发散角压缩并聚焦后输入激光晶体。激光晶体的靠近泵浦源的一端面镀808nm的增透膜和1064nm的高反膜。808nm的增透膜使泵浦源发出的808nm波长的激光进入激光晶体前的损耗降至最低，而1064nm的高反膜与镀有1064nm部分反射膜的输出镜结合起来，形成谐振腔，使1064nm的激光产生振荡放大并输出。该种结构中泵浦光束激活的晶体模体积较小，因而一般用于功率较小的场合，如ACI公司设计此款激光器的目的是用于3W的激光打标机系统中。但端泵的优势在于输出的激光模式较好，便于实现TEM00输出，在某些功率要求不高，需要准直的场合非常实用。如激光测距，电子元器件的标记等方面。 2 侧面泵浦(Side Pump)固态激光器

休斯航天航空实验室的研究人员们侧面泵浦棒状Yb:YAG晶体获得了0.95KW的大功率输出。这是目前利用半导体激光器泵浦单根Yb:YAG所得到的最大的功率输出。侧面泵浦（Side Pump）固态激光器激光头是由三个二极管泵浦模块围成一圈组成泵浦源，每个泵浦模块又由3个带微透镜的二极管线阵组成。每个线阵的输出功率平均为20W输出波长为808nm。该装置采用玻璃管巧妙地设计了泵浦腔和制冷通道。玻璃管的表面大部分镀有808nm的高反膜，剩余的部分呈120°镀有三条808nm增透膜，这样便形成了一个泵浦腔。二极管泵浦源发出的光经过三对光束整形透镜会聚到这三条镀增透膜的狭长区域内，然后透过玻璃管的管壁，被晶体吸收。由于玻璃管大部分区域镀有高反膜，使得泵浦光进入泵浦腔以后，便在其中来回的反射，直至被晶体充分地吸收，而且在晶体的横截面上形成了均匀的增益分布。同时玻璃管

还能用于制冷，高速通过的冷却水将产生的热量迅速带走。晶体采用的是一根复合结构的Nd:YAG棒，有效尺寸为j3*63mm，掺杂浓度为1.5at.%.当泵浦光功率为180W时，得到了72W的激光输出。光光转换效率高达40%。

3 薄片激光器(Thin Disc Pump)

薄片激光器是集端面泵浦与侧面泵浦的优点于一身的一种新型的固体激光器设计方案。由德国航空航天研究院技术物理所的研究人员们首次提出。它的基本概念是用光纤耦合输出的半导体激光器作泵浦源对非常薄的晶体进行端面泵浦，使泵浦光在几百微米的晶体薄片中多次经过，同时使热梯度的分布方向与激光束的传播方向相同。新的泵浦设计中用一个抛物面成像反射镜代替了原来的4个球面成像反射镜，使得泵浦光在晶体中经过的次数由原来的8次增加到16次。采用改进后的泵浦结构，在室温下，用24W的连续激光泵浦，用j3*0.2的Nd:YAG晶体薄片，得到了10W的TEM00连续光输出，光光效率为41.7%。这种薄片激光器具有按比例功率放大的特性，将多个薄片晶体级联在同一个热沉上，可有望得到光束近衍射极限的，高效率的千瓦级全固态固体激光器。这种激光器输出的光学质量介于端面泵浦和侧面泵浦之间，可得到较高的输出功率和较好的光学模式。但是这种激光器的设计和调试较为困难，因而不为大多数的激光公司所采用。

4 光纤激光器

光纤激光器是最近几年由光通讯行业中的光放大器演变而来的。其一推出即引起了业界的震动，其良好的光学质量，较高的输出功率，超长的寿命及无需维护的特点获得了众多公司的瞩目。其严格来说，属于端面泵浦的一种。现代高功率光纤激光器的泵浦源是高功率的多模二极管，通过一个围绕着单模纤心的双包层来实现。

在二十世纪七十年代，以一个单模光纤激光器来替代固体激光器或宽带半导体激光二极管的多模发射输出的想法被首次提出。在简单的双包层光纤结构中，一个轴向的单模玻璃纤心被掺入人们所期望的激光离子，如铷、饵、镒、铥等。核心光纤被一层直径几倍于它的不掺杂的玻璃包层所包围，具有更低的折射率。接下来是内部的泵浦包层，被更外一层不掺杂的玻璃包层所覆盖，同样具有更低折射率。在这种光纤结构中，多模二极管泵浦光通过一个复合光纤的终端面射入泵浦包层，通过光纤结构传播，周期性地穿越掺杂质的单模光纤核心，并在核心光纤中产生粒子数反转。

IPG激光部门（IPG Photonics的分支机构）研制出一种更先进的全加固侧面并行泵浦光纤激光器。它包括一个主动光纤，这种光纤具有可以和其他光学元件或增益级自由熔结的多面体结构，从而使泵浦光可从多点注入包层成为可能。这样，一种简单的光纤输出功率的按比例缩放控制成为可行。其他的侧泵浦技术还有V槽耦合。1996年，具有工业质量的衍射极限10瓦级包层泵浦光纤激光器由IPG Photonics推向市场。Polaroid公司（剑桥，MA）、Spectra Diode实验室（JDS Uniphase）以及Spectra Physics不久也介绍了类似的激光器。

耦合多个100瓦级光纤激光器的输出功率可以很好地提升光纤激光器的输出功率到一个更高的级别。比如说，7个100瓦级光纤激光器输出的光束通过7个单模光纤传送30米以上的距离，然后在一条多芯光纤波束耦合器中被合成，输出一个直径80 μm,发散角小于40 mrad的波束。这相当于一个输出光束参数<1.6 mm mrad 的激光；700瓦的耦合输出功率可以以一束强烈的激光作用在工件上，每平方厘米可达高于50千瓦的功率。比较而言，一个二极管泵浦固态激光器典型的光束参数>10mm mrad,输出功率密度也只有光纤激光器的50分之一。700瓦级的光纤激光器大小为55×60×95cm3 ，重量为120千克。这种形式的激光器能够根据需要的功率，将光纤加长，因而可以达到很高的功率。但其有一个致命的弱点就是单脉冲能量不高，这使得光纤激光器的应用领域受到了一定的限制。世界各国都把如何提高光纤激光器的单脉冲能量作为一个重点的研发课题。

总 结

本文着重从实验装置和原理的角度出发，描述了出现的几种半导体泵浦的固体激光器的核心部件-激光头的技术特点。高功率，高亮度的DPSSL一直是国内外激光领域里的前沿课题。国外千瓦级DPSSL系统已有诸多报道，日本还预计将在2005年实现输出平均功率≥10KW,电光效率≥20%激光头的尺寸≤0.05m3的高功率全固态激光器。国内的DPSSL发展相对落后，我国大功率LD及LD列阵制作工艺的逐步成熟，DPSSL必将有更加蓬勃的发展。

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