微片（Microchip）激光器是一種小型全固態(tài)脈沖激光器，用高摻雜的晶體材料作為增益介質(zhì)，一般腔長控制在毫米量級。由于腔長相對較短，大大縮短了諧振腔內(nèi)的光子壽命，更容易實現(xiàn)激光器的短脈寬輸出，光束質(zhì)量好，激光亮度高，也可以實現(xiàn)單縱單頻激光輸出。正是由于這一特點，這種激光器的結(jié)構(gòu)非常緊湊，使用壽命長，量生產(chǎn)。

圖1 幾種典型的脈沖激光特性比較

目前，世界上對微片激光器的定義還不是特別清楚，通常認(rèn)為： 微片激光器是一種被動調(diào)節(jié) Q 、微型固體激光器具有亞納秒和高峰值功率。

然而，這個定義通常指的是增益介質(zhì)Nd:YAG、Nd:YV O 4 這種微片激光器不全面。例如，對于Er被動調(diào)玻璃 Q 微固體激光器的脈寬通常為5 ns附近，亞納秒的定義不是很準(zhǔn)確。此外，隨著激光制造水平的迭代升級，越來越多的結(jié)構(gòu)緊湊，小型主動調(diào)整 Q 窄脈寬微固體激光器將推出，微片激光器的定義將被重寫。

微片激光器性價比高，結(jié)構(gòu)小，廣泛應(yīng)用于激光測距、激光雷達、激光加工、激光種子源、生物醫(yī)學(xué)、激光誘導(dǎo)、拉曼光譜檢測、質(zhì)譜及科研等領(lǐng)域。

一

微片激光器的結(jié)構(gòu)和特點

1

亞納秒被動調(diào) Q 微片激光器

圖2 亞納秒被動調(diào) Q 微片激光結(jié)構(gòu)

增益介質(zhì)為Nd:YAG、Nd:YV O 4 ，被動調(diào) Q 晶體使用Nd:Cr 4 YAG輸出波長為10的微片激光器 nm，532 nm，355 nm及266 nm激光輸出，脈寬比較常見 ns附近，700 ps左右，500 ps等，目前，中國較短的脈寬為300 ps。這種激光器，脈寬介于皮秒和納秒之間，峰值功率強，脈寬相對較短。這種激光器的脈寬介于皮秒和納秒之間，峰值功率強，脈寬相對較短。與納秒激光器相比，可以彌補納秒激光器脈寬帶來的熱效應(yīng)問題。

例如，在醫(yī)療美容行業(yè)，皮膚在納秒激光的作用下會產(chǎn)生熱效應(yīng)，操作不當(dāng)容易造成皮膚損傷，而亞納秒激光會在人體皮膚中產(chǎn)生機械效應(yīng)，達到治療目標(biāo)，不會損傷皮膚。另一個例子是，在材料微加工領(lǐng)域，納秒激光的脈沖寬度較寬，導(dǎo)致材料的熱積累，使加工效果不理想，亞納秒微激光可以彌補這一不足。

與皮秒或飛秒激光相比，雖然這種微片激光器的脈寬不夠窄，但100皮秒的脈寬仍然可以應(yīng)用于大多數(shù)領(lǐng)域。此外，由于結(jié)構(gòu)緊湊、性價比高、穩(wěn)定性高，微片激光器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用更廣泛。

1535 nm被動調(diào)Q人眼安全微片激光器

增益介質(zhì)為Er玻璃微片激光器的輸出波長為1535 nm，可廣泛應(yīng)用于人眼安全測距，目前國內(nèi)可實現(xiàn)200-300 μJ能量輸出，10-20 Hz重復(fù)頻率和5 ns這種激光器通常穩(wěn)定性高，可用于-40℃~60℃極限溫度使用環(huán)境。

圖3 1535 nm被動調(diào) Q 人眼安全微片激光器結(jié)構(gòu)

2

主動調(diào) Q 窄脈寬激光器

主動調(diào) Q 窄脈寬激光器不是傳統(tǒng)意義上的微片激光器，但其體積越來越小，脈寬越來越窄。脈沖能量250在中國已經(jīng)實現(xiàn) μJ，重頻可達5 kHz，脈寬窄到2 ns的主動調(diào) Q 尺寸與微片激光器相似的激光器。與被動調(diào)相比 Q 亞納秒微片激光器主動調(diào)整 Q 窄脈寬激光器的時間抖動小于1 ns，遠(yuǎn)低于微片激光器的微秒量級，可以滿足熒光壽命等對時間抖動要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖4 主動調(diào)整Q窄脈寬激光器和納秒時間

二

微片激光器的主要應(yīng)用

由于其結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高、性價比高，微片激光非常適合大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

1

測距應(yīng)用

圖5 人眼安全測距激光器和小型測距模塊

用于測距的激光器種類繁多，所有類型的激光器，包括半導(dǎo)體激光器、全固態(tài)激光器、光纖激光器等，都廣泛應(yīng)用于測距領(lǐng)域。

微片激光器在測距應(yīng)用中的優(yōu)點是體積小、重量輕、工作范圍寬、峰值功率高。這些指標(biāo)使微片激光器能夠集成在非常緊湊的設(shè)備中，并在極端使用環(huán)境中探測到相對較遠(yuǎn)的距離。

目前，激光測距儀正朝著安全性高、測量距離長、精度高、功耗小、規(guī)模小的趨勢發(fā)展。上一代測距機的發(fā)射激光不屬于人眼安全激光，容易損壞人的視網(wǎng)膜，對使用非常不利。1535 nm測距機的應(yīng)用越來越廣泛，全面普及將是必然趨勢。

圖6 人眼安全激光測距系統(tǒng)原理圖

近幾年基于Er玻璃的1535 nm人眼安全激光的需求日益增加。特別是在軍事領(lǐng)域，由于要求的溫度使用范圍極其苛刻(一般為-40℃~60℃），而且要求很小很輕的包裝，造就了國內(nèi)1535 nm微片激光器的指標(biāo)逐漸優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

國內(nèi)已知的1535 nm在人眼安全測距激光產(chǎn)品中，單脈沖能量200 μJ，重復(fù)頻率10 Hz，脈寬5 ns激光組件的重量已達到10 g長度在25以內(nèi) mm；單脈沖能量3000 μJ探測距離較遠(yuǎn)的激光器的重量為12 g長度在35以內(nèi) mm。

數(shù)據(jù)顯示，國產(chǎn)1535 nm人眼安全激光器已輕松通過-40℃~60℃極限溫度的啟動指標(biāo)優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。此外，對于1 kHz1535 nm人眼安全測距激光器，國內(nèi)水平也達到40 μJ上述單脈沖能量輸出。

小型化人眼安全激光測距機主要由激光發(fā)射模塊、光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)測距系統(tǒng)采用Er玻璃固體激光器產(chǎn)生1535微焦能量、低重頻和窄脈寬 nm激光，采用InGaAs的APD作為信號探測，TDC測量飛行時間，以獲得準(zhǔn)確的距離信息。

圖7 1535 nm人眼安全激光器應(yīng)用于測距領(lǐng)域

2

三維成像雷達應(yīng)用

目前主動調(diào) Q 窄脈寬激光器，被動調(diào)節(jié) Q 亞納秒激光組件和系統(tǒng)非常適合這一領(lǐng)域。

圖8 國內(nèi)用于三維激光雷達的主被動調(diào)節(jié) Q OEM激光器組件

典型的單點激光雷達通過光學(xué)系統(tǒng)直接發(fā)射激光信號，照射測量目標(biāo)，通過光學(xué)接收系統(tǒng)收集目標(biāo)反射和散射的光信號，通過光電探測器和信號處理系統(tǒng)分析獲得返回信號的信息。為了捕獲目標(biāo)上的多點距離信息，基于面陣探測器技術(shù)的三維成像激光雷達在成像表面進行了三維掃描。

圖9 掃描三維激光雷達原理圖

圖10 三維成像激光雷達原理圖

3

微加工應(yīng)用

圖11 硬脆材料微加工領(lǐng)域各種脈沖激光器的特點比較

與大功率光纖激光器和全固態(tài)激光器不同，微片激光器更適合硬脆材料的微加工領(lǐng)域。

目前，微加工系統(tǒng)正朝著體積小、重量輕、加工性能更精密的趨勢發(fā)展。傳統(tǒng)的硬脆材料加工激光器是納秒激光器，脈寬一般為5 ns以上，體積大，環(huán)境要求高，穩(wěn)定性差，熱效應(yīng)大，對許多材料的加工效果不理想。此外，雖然皮秒和飛秒激光器具有良好的微加工性能，但價格昂貴，體積大。

高功率、高頻亞納秒激光是一種性價比高的準(zhǔn)超快激光，具有皮秒激光的加工精度和普通納秒激光的價格優(yōu)勢，在精密微加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，深受工業(yè)客戶的青睞。

圖12 硬脆材料微加工系統(tǒng)原理圖

脈沖激光器通常用于硬脆材料的微加工系統(tǒng)CCD相機由成像光學(xué)系統(tǒng)、振動鏡控制系統(tǒng)或多維移動旋轉(zhuǎn)平臺、輸入/輸出控制模塊、計算機和控制軟件組成。利用激光的高能特性，通過光子與材料的相互作用，對材料進行打標(biāo)、打孔、劃線、切割、內(nèi)雕等加工。廣泛應(yīng)用于微電子、微機械、微光學(xué)加工等領(lǐng)域，具有效率高、精度高、非接觸式等優(yōu)點。

三小結(jié)與展望

除上述應(yīng)用外，微片激光器還廣泛應(yīng)用于氣象雷達、拉曼檢測、激光超聲、激光誘導(dǎo)熒光、激光誘導(dǎo)擊穿光譜、時間飛行質(zhì)譜、醫(yī)療美容等領(lǐng)域。

1535 nm、10 nm、532 nm、355 nm、266 nm以外，1030 nm、976 nm、946 nm、860 nm、800 nm、515 nm、488 nm、473 nm、430 nm、400 nm、343 nm、257 nm、237 nm、213 nm等也已或即將加入。

此外，亞納秒微片激光器的重復(fù)頻率和單脈沖能量將進一步優(yōu)化。對于1535 nm在保持足夠緊湊穩(wěn)定的包裝結(jié)構(gòu)的前提下，進一步提高人眼安全微片激光器的單脈沖能量，以滿足人眼安全距離測量的要求。