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光纤激光器带动激光和光电子产业规模扩大

2021-01-09

  从1960年第一台红宝石激光器问世到现在40多年过去了,激光技术确如人们所期,渗入了各行各业。不论是通信、测量、医学、印刷,还是制造业、军事、娱乐业、科学研究无处不显现它的身影。并且,可以毫不夸张地说,在某些领域,它已经成为不可替代的核心技术,例如通讯领域中的光缆通讯,军事中的制导、测距,计量中的长度基准,娱乐业中的信息存储。
  尽管有科学家进行了统计,可以列出“激光应用十万例”,但是2003年全球激光产业统计仅为45亿美元,尚不及国外一个中大型跨国企业的经济规模。而中国激光产业为30亿元人民币,尚不及国内一个大型食品厂。以至于有人不得不哀叹,激光和微波、超声波的市场前景没有什么两样!
  但是,聚集在激光领域的科学家、工程师相比后两者多得多,大家总是不甘心、不相信激光技术就形成不了产业,因为人们确实看到许多行业对激光技术的迫切需求。就拿加工业来说,激光自1960年渗入钟表业的宝石钻孔以来,不断扩大应用范围,已经在厚板薄板焊接与切割、气缸热处理、微电子加工、快速打标、熔覆与成型工艺、工美雕刻等许多工序上发挥着巨大作用。仅德国大众汽车生产线上,就应用了几百台大功率激光加工设备。但迄今为止全球激光加工产业仅30亿美元,而全国激光加工产业仅15亿元人民币。究其原因,不是人类不需要激光,而是传统的激光基本元器件———激光器不好用:成本高、效率低、故障多。
  从20世纪60年代起产生的传统的激光器是分立元件组合而成的,它通常由激光工作物质、泵浦源、谐振腔组成,还有庞大的电源和冷却水,而输出效率只有百分之几到百分之十几,光束质量也不好、故障率极高、维修费用巨大,严重地阻碍了激光技术的普及。20世纪80年代出现了半导体激光器,其体积大大缩小,可靠性大大提高,电—光转换效率达到了40%以上。但是它的单体功率较小,并且有一个严重的缺点:光束质量不好。
  进入20世纪90年代,又一类新型激光器诞生,人称“全固态激光器”。它是用半导体激光器来做传统激光器的泵浦源,提高了传统激光器的总体效率,输出功率与光束质量也都不错,但也有一个致命的缺点,就是泵浦源的寿命短,只有5000小时~10000小时。而泵浦源的价格占了整个激光器的一半,它一坏,激光器就废了。再有,它也是分立元件,因此它的可靠性也不够好。
  进入21世纪,德国人率先发明了实用化的光纤激光器。光纤激光器将多个半导体激光器的光导入了光纤,在光纤中再次振荡增益,形成了新的激光。这种激光光束质量好,电—光转换效率高,而且由于可以集成放大,光纤激光器的功率可以做得很大;所有的半导体器件及光纤组件都可以焊接成一体,避免了元件的分立,可靠性得到极大提高。光纤激光器还有一个更大的优点就是它的使用寿命极长,可以达到5万小时~50万小时。
  2004年美国IPG公司已经做出了10万瓦的光纤激光器和1.7万瓦的工业用光纤激光器。而最小的25瓦光纤激光器大小只相当于一个移动硬盘。
  电子元器件的历史经历了电子管—晶体管—集成电路—大规模集成电路之路,激光器件是否也有相似之路?
  现在,由于半导体激光器价格昂贵,光纤激光器还不能广泛应用。但我们有理由相信,半导体激光器及光纤激光器的价格也会像集成电路一样,以每3年~5年一个量级的速度下降。今后也许有一天,我们可以将无数半导体激光器集成到很小的芯片上,用光导纤维将各路光集成到一根光纤输出,那就是大规模集成光纤激光器。这种大规模集成光纤激光器可以装到卫星上做激光武器,可以焊入计算机芯片中作光信息源;还可以进入千家万户,从事各种各样的活动。国外专家认为光纤激光器将在5年~10年内取代相当大一部分传统激光器和全固态激光器。

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