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解決方案

光纖激光器帶動激光和光電子產業規模擴大

2021-01-09

  從1960年第一臺紅寶石激光器問世到現在40多年過去了,激光技術確如人們所期,滲入了各行各業。不論是通信、測量、醫學、印刷,還是制造業、軍事、娛樂業、科學研究無處不顯現它的身影。并且,可以毫不夸張地說,在某些領域,它已經成為不可替代的核心技術,例如通訊領域中的光纜通訊,軍事中的制導、測距,計量中的長度基準,娛樂業中的信息存儲。
  盡管有科學家進行了統計,可以列出“激光應用十萬例”,但是2003年全球激光產業統計僅為45億美元,尚不及國外一個中大型跨國企業的經濟規模。而中國激光產業為30億元人民幣,尚不及國內一個大型食品廠。以至于有人不得不哀嘆,激光和微波、超聲波的市場前景沒有什么兩樣!
  但是,聚集在激光領域的科學家、工程師相比后兩者多得多,大家總是不甘心、不相信激光技術就形成不了產業,因為人們確實看到許多行業對激光技術的迫切需求。就拿加工業來說,激光自1960年滲入鐘表業的寶石鉆孔以來,不斷擴大應用范圍,已經在厚板薄板焊接與切割、氣缸熱處理、微電子加工、快速打標、熔覆與成型工藝、工美雕刻等許多工序上發揮著巨大作用。僅德國大眾汽車生產線上,就應用了幾百臺大功率激光加工設備。但迄今為止全球激光加工產業僅30億美元,而全國激光加工產業僅15億元人民幣。究其原因,不是人類不需要激光,而是傳統的激光基本元器件———激光器不好用:成本高、效率低、故障多。
  從20世紀60年代起產生的傳統的激光器是分立元件組合而成的,它通常由激光工作物質、泵浦源、諧振腔組成,還有龐大的電源和冷卻水,而輸出效率只有百分之幾到百分之十幾,光束質量也不好、故障率極高、維修費用巨大,嚴重地阻礙了激光技術的普及。20世紀80年代出現了半導體激光器,其體積大大縮小,可靠性大大提高,電—光轉換效率達到了40%以上。但是它的單體功率較小,并且有一個嚴重的缺點:光束質量不好。
  進入20世紀90年代,又一類新型激光器誕生,人稱“全固態激光器”。它是用半導體激光器來做傳統激光器的泵浦源,提高了傳統激光器的總體效率,輸出功率與光束質量也都不錯,但也有一個致命的缺點,就是泵浦源的壽命短,只有5000小時~10000小時。而泵浦源的價格占了整個激光器的一半,它一壞,激光器就廢了。再有,它也是分立元件,因此它的可靠性也不夠好。
  進入21世紀,德國人率先發明了實用化的光纖激光器。光纖激光器將多個半導體激光器的光導入了光纖,在光纖中再次振蕩增益,形成了新的激光。這種激光光束質量好,電—光轉換效率高,而且由于可以集成放大,光纖激光器的功率可以做得很大;所有的半導體器件及光纖組件都可以焊接成一體,避免了元件的分立,可靠性得到極大提高。光纖激光器還有一個更大的優點就是它的使用壽命極長,可以達到5萬小時~50萬小時。
  2004年美國IPG公司已經做出了10萬瓦的光纖激光器和1.7萬瓦的工業用光纖激光器。而最小的25瓦光纖激光器大小只相當于一個移動硬盤。
  電子元器件的歷史經歷了電子管—晶體管—集成電路—大規模集成電路之路,激光器件是否也有相似之路?
  現在,由于半導體激光器價格昂貴,光纖激光器還不能廣泛應用。但我們有理由相信,半導體激光器及光纖激光器的價格也會像集成電路一樣,以每3年~5年一個量級的速度下降。今后也許有一天,我們可以將無數半導體激光器集成到很小的芯片上,用光導纖維將各路光集成到一根光纖輸出,那就是大規模集成光纖激光器。這種大規模集成光纖激光器可以裝到衛星上做激光武器,可以焊入計算機芯片中作光信息源;還可以進入千家萬戶,從事各種各樣的活動。國外專家認為光纖激光器將在5年~10年內取代相當大一部分傳統激光器和全固態激光器。

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