作者： 时间：2021-06-04
微片激光器腔长较短，是一种容易实现光束质量好、光强亮度大的单纵模激光器，微型激光器的出现使固体激光器在结构紧凑程度方面有了突破性进展，其具有体积小、结构紧凑、稳定、寿命长、全固态化、较高转换效率，且易廉价、批量生产等优点，因此固体微片激光器特别适合工业集成方面的应用。
一、微片激光器的原理
下图为SESAM被动调Q微片激光器的基本结构。
微型激光器可以在连续或脉冲状况下运行。在调Q技术出现之前，由于普通脉冲激光器输出的驰豫振荡效应，很难得到峰值功率高且脉宽窄的激光脉冲。通过调Q技术，激光器可输出峰值功率较高，而脉宽仅为纳秒量级的脉冲，使激光成为非常强的相干光源，并由此产生了非线性光学等新的光学分支。
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主动调Q |
被动调Q |
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调Q技术 |
采用某种方法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗、低Q值的状态，此时激光振荡的阈值很高，粒子密度反转书积累到很高也不会产生振荡；粒子密度反转达到峰值使，突然使Q值增大，导致激光介质的增益远大于阈值，极快速产生振荡。此时储存在亚稳态的粒子所具能量很快转换为光子能量，产生雪崩一样的高速率增长，激光器便输出一峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。 |
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原理 |
通过调制器主动调制腔内损耗。比如在腔内插入声光调制器，施加RF功率时使部分光束通过衍射溢出腔外，激光介质中存储高能量后忽然关闭RF功率形成并输出激光脉冲。 |
通过可饱和吸收体调制腔内损耗。对于可饱和吸收体，低强度光被吸收，高强度光透射，因此可通过腔内光强被动调制损耗。 |
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特点 |
振荡阈值可控 低时间抖动，可用于科研中应用； |
振荡阈值不可控 激光脉冲稳定性不强,参数抖动幅度较大 腔型结构构确定后,无法再控制激光脉冲的重复频率等参数 |
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结构特点 |
结构复杂，都需要比较复杂的外加电路" |
使用方便，不需外加驱动装置，结构简单 |
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成本 |
较高, |
较便宜 |
被动调Q微片激光器的调Q介质如下：
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Nd 3+ :YAG |
Nd 3+ :YVO 4 |
Nd 3+ :YLF |
Yb 3+ :YAG |
Er 3+ :YAG |
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特点 |
1064 nm标准增益介质 适合高功率和高脉冲能量 |
更高的增益效率 适合更短脉宽和更高重频 |
1047或1053 nm 增益效率较低 热透镜效应弱 适合高脉冲能量 |
1030或1050 nm 适合高脉冲能量 |
1.65或2.94 μm 适合高脉冲能量 |
二、微型激光器的主要选型参数特点
微型激光器有一些常见的波长，比如：1535 nm、1064 nm、532 nm、355 nm、266 nm，较为特殊的波长有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。其中266nm、355nm、532nm一般是由1064nm通过倍频的方法获得。1535 nm可用于人眼安全测距等方面，其稳定性一般较高，可用于-40℃~60℃的极限温度使用环境。
现在的用于工业集成的单纵模激光器，可以做到亚纳秒级别，下图为亚纳秒微片激光器的典型结构。
受限于微片激光器体积，一般微芯片激光器的平均功率在mW级别，在10~1000mW之间。高功率微片激光器的重复频率会低一些，以获得较大的单脉冲能量；与高功率微芯片激光器对应的，还有高重复频率微片激光器。
三、亚纳秒微片激光器的应用
激光的微加工具有热效应，脉冲越宽，热效应作用越明显。在医疗美容行业中，皮肤在纳秒级别的激光器的作用下会产生较大的热效应，容易在不当操作下造成损伤，而亚纳秒微片激光器则会在人的皮肤中产生机械效应，达到治疗目标，且不会损伤皮肤。
在材料的微结构加工领域，皮秒、飞秒激光器的效果比纳秒的效果更具有优势，单与之相对应的，其价格也是昂贵。为了适应工业上的需求，微片激光器具有亚纳秒脉冲这一优势就显得格外重要了，亚纳秒的脉宽可以在大多数领域应用。在可接受价格范围内提高其脉冲质量，可以使产品更具有竞争力。
在激光测量方面，固体微片激光器的结构紧凑、质量较小、对温度工作相对不敏感、峰值功率较高，这些优点非常匹配在光探测、测距(激光雷达)、三维扫描三维成像、污染监测、大气科学等应用。
微芯片激光器还可以作为种子激光器，用于拉曼光谱，超连续光谱的产生等等。
四、Leukos、Crystalaser的微片激光器特点
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光学规格 |
Leukos |
Crystalaser |
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波长分类 |
532 或1064 nm |
包含蓝紫光、蓝光、蓝绿光、红光及红外光等 |
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输出形式 |
脉冲输出：~1ns |
连续输出 |
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功率稳定性 |
< 2% |
型号不同，略有区别，一般<2% |
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空间模式 |
单模M²<1.2 |
单模M²<1.3 |
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极化 |
>100:1 |
型号不同，略有区别 |
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工作温度 |
5-40℃（非冷凝） |
10-35℃或40℃ |
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激光头尺寸 |
40×35×15mm，总重量<100g |
型号不同，略有区别 |
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共同点 |
单模输出 固体微片激光器设计紧凑，易于集成 功率稳定性<2% |
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随着微片激光源技术的发展，其用于工业集成等方面的优势会越来越大，发展势头越来越好。
