半導(dǎo)體激光泵浦的全固態(tài)激光器是20世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)的新型激光器。全固態(tài)激光器的總體效率至少要比燈泵浦高10倍,由于單位輸出的熱負(fù)荷降低，可獲取更高的功率，系統(tǒng)壽命和可靠性大約是閃光燈泵浦系統(tǒng)的100倍,因此，半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)為固體激光器注入了新的生機和活力，使全固態(tài)激光器同時具有固體激光器和半導(dǎo)體激光器的雙重特點，它的出現(xiàn)和逐漸成熟是固體激光器的一場革命，也是固體激光器的發(fā)展方向。并且，它已滲透到各個學(xué)科領(lǐng)域，例如：激光信息存儲與處理、激光材料加工、激光醫(yī)學(xué)及生物學(xué)、激光通訊 、激光印刷、激光光譜學(xué)、激光化學(xué)、激光分離同位素、激光核聚變、激光投影顯示、激光檢測與計量及軍用激光技術(shù)等，極大地促進(jìn)了這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和前所未有的發(fā)展。這些交叉技術(shù)與學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
全固態(tài)激光器是其應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵的、基礎(chǔ)的核心器件，因此一直倍受關(guān)注。近年來，由于大功率半導(dǎo)體激光器迅速發(fā)展，促成全固態(tài)激光器的研發(fā)工作得以卓有成效地展開，并取得了諸多顯赫成果。已經(jīng)確認(rèn)，傳統(tǒng)燈泵浦固體激光器的賴以占據(jù)世界激光器市場主導(dǎo)地位的所有運轉(zhuǎn)方式，均可以通過半導(dǎo)體激光器泵浦成功地加以實現(xiàn)。通常應(yīng)用在激光打標(biāo)機、激光劃片機、激光切割機、激光焊接機、激光去重平衡、激光蝕刻等系統(tǒng)中。由于全固態(tài)激光器具有高光電轉(zhuǎn)換效率、高功率、高穩(wěn)定性、高可靠性、壽命長、體積小等優(yōu)勢，采用全固態(tài)激光器已成為激光加工設(shè)備的趨勢和主流方向。
一、國外發(fā)展概況
目前，美國、日本、德國3個國家激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展代表了當(dāng)今世界激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。日本在光電子技術(shù)方面占首位，在激光醫(yī)療及激光檢測方面，美國占首位，而在激光材料加工設(shè)備方面則是德國占首位。
半導(dǎo)體激光泵浦的全固態(tài)激光器已是工業(yè)用激光設(shè)備的核心器件，也可以單獨作為激光器應(yīng)用。
目前，國外千瓦級全固態(tài)激光器系統(tǒng)已有諸多報道，休斯航天航空實驗室的研究人員們用側(cè)面泵浦棒狀Yb:YAG晶體獲得了0.95kW的大功率輸出。日本在2005年實現(xiàn)輸出平均功率大于等于10kW,電光效率大于等于20%的高功率全固態(tài)激光器。國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家，全固態(tài)激光器已開始成為工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)激光器。據(jù)文獻(xiàn)報道：國外全固態(tài)激光器商品級單腔輸出激光功率1.1kW，最高輸出功率6kW以上。ROFIN公司已有千瓦級大功率全固態(tài)激光器及系統(tǒng)；相干公司、光譜物理公司、Lightwave electronics公司等都有多品種、多系列的全固態(tài)激光器出售。美國Lee Laser是世界一流的高功率50～100W 532nm綠激光的生產(chǎn)商，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于原晶的激光加工和處理?？傮w來說，國外全固態(tài)激光器技術(shù)及應(yīng)用設(shè)備工程化水平高，產(chǎn)品已趨向成熟。
在大功率全固態(tài)紅色激光器問世后，大功率全固態(tài)藍(lán)、綠激光器的相繼問世，為彩色激光電視的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。微電子技術(shù)及精密加工技術(shù)的發(fā)展使得激光大屏幕顯示技術(shù)走向?qū)嵱没６砹_斯、美國、德國等相繼成功開發(fā)了高功率激光顯示系統(tǒng)、激光電視、激光數(shù)字影院等。高功率激光顯示系統(tǒng)的功率已達(dá)到20W的水平，顯示圖像的面積大于10m2。隨著技術(shù)的發(fā)展，全固態(tài)激光器的輸出功率還將越來越大；另一方面，為了適應(yīng)激光電視的發(fā)展，全固態(tài)激光器的體積將越來越小。當(dāng)前激光電視正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的前期，產(chǎn)業(yè)化的高潮即將興起。
全固態(tài)紫外激光器的發(fā)展和應(yīng)用是當(dāng)前國內(nèi)外最引人關(guān)注的亮點之一，全固態(tài)紫外激光器與傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子紫外激光器相比較，具有體積小、效率高、壽命長、光束質(zhì)量好、無毒、不需要更換特殊氣體、價格便宜等許多優(yōu)點，在國外，全固態(tài)紫外激光器已成為激光劃片、微細(xì)鉆孔等微電子加工的最理想激光源。近幾年，美國、德國、特別是日本都在加大力量發(fā)展全固態(tài)紫外激光器，特別是中大功率全固態(tài)紫外激光器的開發(fā)應(yīng)用。由于1064nm或532nm波長激光對材料的加工主要是產(chǎn)生氣化或熔融等熱作用，所以加工出的產(chǎn)品往往很難達(dá)到精細(xì)、光滑，甚至有些材料（如陶瓷、硅片等）在加工時會引起碎裂，因此，全固態(tài)紫外激光器在激光微加工、激光精密加工有著廣泛推廣應(yīng)用的趨勢。目前國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家，全固態(tài)紫外激光器已開始成為工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)激光器。據(jù)文獻(xiàn)報道：日本M.Nishioka公司已研發(fā)出40W的266nm全固態(tài)紫外激光器；三菱公司也在市場上推出了18W 355nm 25kHz全固態(tài)紫外激光器產(chǎn)品；另外相干公司的AVIV系列激光器已做到在266nm,30kHz時，平均功率大于3W，在355nm,40kHz時，平均功率大于10W；光譜物理公司的YHP-series系列激光器也達(dá)到在266nm,20kHz時，平均功率大于1.5W，在355nm,20kHz時，平均功率大于3.5W；Lightwave electronics公司所推出的 Q301-SM激光器也達(dá)到了在355nm,10kHz時，平均功率大于10W的技術(shù)指標(biāo)?？傮w來說，國外全固態(tài)紫外激光器技術(shù)及應(yīng)用設(shè)備已趨向成熟，但價格昂貴。
高功率半導(dǎo)體激光列陣單光纖耦合模塊可直接作為光源廣泛應(yīng)用于激光醫(yī)療、信息產(chǎn)業(yè)、激光加工、國防工業(yè)、激光武器和戰(zhàn)術(shù)裝備等領(lǐng)域。作為泵浦光源將是泵浦全固態(tài)激光器的核心器件，是一種高光－光轉(zhuǎn)換效率（大于30％）的高功率泵浦全固態(tài)激光器的商用半導(dǎo)體激光光源模塊，是替代燈泵浦激光器的理想產(chǎn)品。目前，國外半導(dǎo)體激光器單根光纖耦合模塊的最高研究水平是耦合進(jìn)入1個芯徑400μm，輸出功率200W。耦合進(jìn)入1根800μm的光纖，輸出功率700W；耦合進(jìn)入1根1.5mm的光纖，輸出功率超過2000W。國外出售的單光纖耦合模塊產(chǎn)品水平如：Apollo公司產(chǎn)品為光纖芯徑100～600μm、光纖輸出功率15～100W；LIMO 公司產(chǎn)品為光纖芯徑200～600μm、光纖輸出功率10～50W。
二、國內(nèi)研究進(jìn)展
全固態(tài)激光器的發(fā)展方向大體為：輸出功率為微/小/中型的器件將沿著多樣化、智能化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，大功率器件將向高平均功率/高光束質(zhì)量發(fā)展，而戰(zhàn)略性應(yīng)用的高能全固態(tài)激光器將得到特別加強從而開發(fā)出更多新技術(shù)，如目前正待發(fā)展的熱容運轉(zhuǎn)技術(shù)和功率合成技術(shù)。
目前，國內(nèi)大功率全固態(tài)激光器研究水平最高的代表為中科院物理所，已研制出大功率全固態(tài)激光、全固態(tài)寬調(diào)諧飛秒激光器、深紫外至中紅外全固態(tài)激光器。并用自行研制的全固態(tài)高功率紅、綠、藍(lán)三基色激光器為光源，于2002年在國內(nèi)首次實現(xiàn)全固態(tài)激光全色顯示，2003年實現(xiàn)60前投和背投原理性演示樣機，2005年成功研制出60激光家庭影院、84及140大屏幕激光顯示樣機。先后參加了863“十五”重大成果展、科技創(chuàng)新展和上海國際工業(yè)博覽會，獲得博覽會的科技創(chuàng)新獎。而我國對全固態(tài)紫外激光技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的研究尚處在起步階段。
國科激光與多年從事全固態(tài)激光器研究的中科院物理所合作，對該所在國家973項目、863項目和中科院重大項目等支持下的，并通過863驗收、中科院院級成果鑒定的CW紅光全固態(tài)激光器（國際領(lǐng)先）、多波段寬調(diào)諧全固態(tài)激光器（國際首創(chuàng)）、CW綠光全固態(tài)激光器（國內(nèi)首創(chuàng)，國際先進(jìn)）、QCW高光束質(zhì)量全固態(tài)激光器（國內(nèi)領(lǐng)先）等科研成果進(jìn)行接產(chǎn)。還與該所合作完成全固態(tài)高功率紅、綠、藍(lán)三基色激光器，紫外全固態(tài)激光器，高光束質(zhì)量、高功率QCW全固態(tài)激光器等項目，并研制成功國內(nèi)第一臺可調(diào)諧摻鈦藍(lán)寶石激光器。
中國科學(xué)院和中國工程物理研究院從20世紀(jì)80年代開始聯(lián)合攻關(guān)，承擔(dān)了“神光”系列激光系統(tǒng)的研制和ICF物理實驗，取得了國際矚目的成就。其中，“神光-Ⅰ”激光裝置于1986年建成，達(dá)到國際同類裝置的先進(jìn)水平?！吧窆?Ⅰ”連續(xù)運行8年，在ICF和X射線激光等前沿領(lǐng)域取得了一批國際一流水平的物理成果。90年代又研制小型的“星光II”激光裝置和“神光-Ⅱ”激光裝置現(xiàn)已投入運行，總體技術(shù)性能進(jìn)入世界前五位。1995年，ICF在國家863計劃中立項為“慣性約束聚變”主題，在中國工程物理研究院開始研制“神光-Ⅲ”激光裝置。
盡管“神光III”激光裝置的規(guī)模比美國目前在建的NIF要小許多，但“神光III”的建設(shè)集中了當(dāng)前國內(nèi)最先進(jìn)的光學(xué)、激光、精密機械及計算機控制等系統(tǒng)為一體的綜合性高科技工程項目。國科激光與中國工程物理研究院合作為“神光III”激光裝置研制預(yù)放系統(tǒng)。
目前，在國內(nèi)，國科激光屬于具有很好的研究基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，是國內(nèi)知名的高新技術(shù)型企業(yè)，已成功的掌握了大功率全固態(tài)激光器的核心制造技術(shù)，并制定了全固態(tài)激光器的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將此技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，必然會給激光技術(shù)的應(yīng)用帶來革命性的變革。
三、市場發(fā)展前景
目前，美國、日本、德國等國家在制造業(yè)，如電子、醫(yī)療、汽車、航空、航天、等領(lǐng)域已基本完成傳統(tǒng)工藝的更新?lián)Q代，步入“光加工”時代。
近年來由于半導(dǎo)體激光的迅速發(fā)展，使半導(dǎo)體激光泵浦的全固態(tài)激光器加工設(shè)備所占的市場份額越來越大。德國Rofin激光公司所銷售的激光加工設(shè)備中60%已是全固態(tài)激光器。
根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，國外全固態(tài)激光器產(chǎn)業(yè)2004年銷售額已達(dá)近百億美元，其中產(chǎn)品銷售額的29%用于激光標(biāo)記，15%用于激光微加工。全球全固態(tài)激光器加工系統(tǒng)年增長率約為23%，而全固態(tài)激光器是激光器加工系統(tǒng)的核心部件，市場需求也將同步增長，其年需求增長率將達(dá)到20%以上。因此，全固態(tài)激光器的發(fā)展趨勢很好，市場前景非常廣闊。
據(jù)《Laser Focus》雜志和《Laser Report》雜志的預(yù)測，目前全世界全固態(tài)激光器的需求量至2008年可達(dá)到20萬臺。這一需求量每年以20%以上的速度增加，每年實際的市場銷售達(dá)到市場容量的90％，其中對大功率全色激光器的需求將是一個大的增長點。
近年來中國激光市場呈現(xiàn)出穩(wěn)定、高速增長的態(tài)勢。自1999-2005年，中國激光產(chǎn)品市場銷售情況分別為：14.13億、19.11億、32.4億、28.62億、36.89億、42.32億、47.75億元人民幣。在整個中國的激光產(chǎn)業(yè)中，激光材料加工近幾年的發(fā)展勢頭強勁，且有很大的空間，激光加工在中國激光產(chǎn)業(yè)中占的比例也是日益重大。在看到行業(yè)迅猛發(fā)展的同時，我們還應(yīng)該看到我國激光產(chǎn)業(yè)起步晚、基礎(chǔ)薄弱，與世界領(lǐng)先國家的差距還很大。例如：與國際上激光加工系統(tǒng)相比，我國的激光加工系統(tǒng)差距甚大，僅占全球銷售額的2%左右。主要表現(xiàn)為：高檔激光加工系統(tǒng)很少，甚至沒有；主力激光器不過關(guān)；微細(xì)激光加工裝備缺口較大。這些領(lǐng)域我國的生產(chǎn)企業(yè)正在積蓄力量穩(wěn)步進(jìn)入，國內(nèi)應(yīng)用市場有很大發(fā)展空間。
側(cè)面泵浦全固態(tài)激光器可以單獨作為1064nm激光器使用或是作為核心器件普遍被應(yīng)用在激光打標(biāo)機、激光劃片機、激光內(nèi)雕機及其它應(yīng)用系統(tǒng)中。根據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)僅打標(biāo)機及雕刻機的生產(chǎn)廠家就達(dá)100多家，年生產(chǎn)能力達(dá)到2000～5000套。應(yīng)用系統(tǒng)對固體激光器需求量應(yīng)在4000套以上，總銷售額將達(dá)2億元以上。由于全固態(tài)激光器具有高穩(wěn)定性、高功率、壽命長等優(yōu)勢，其中約有60%將采用全固態(tài)激光器，其年需求量應(yīng)在2000～3000套。國內(nèi)市場主要集中在深圳、北京、上海、武漢、天津等激光加工產(chǎn)業(yè)比較發(fā)達(dá)的大中城市及其周邊地區(qū)。根據(jù)上述全固態(tài)激光器的年需求量約在3000套左右。
藍(lán)、綠DPL當(dāng)前國際市場商品價格約1萬美元/W，如CW（連續(xù)）532 nm器件，10W價格為10萬美元，5W約5萬美元，藍(lán)、綠光的國際需求很大， Laser Focus World雜志預(yù)計為20億美元/a。
紫外355nm DPL 目前國際市場價格約為2萬美元/W，并且，目前中大功率的全固態(tài)紫外激光器的市場份額全部被國外占據(jù)，建立自主全固態(tài)紫外激光產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)迫在眉睫。
目前，國內(nèi)對半導(dǎo)體激光列陣單光纖耦合模塊及其應(yīng)用系統(tǒng)的研究尚處在初級階段，國內(nèi)市場主要是被進(jìn)口產(chǎn)品所占領(lǐng)。由于近年國內(nèi)半導(dǎo)體激光列陣單光纖耦合模塊隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求量保持強勁的上升狀態(tài)，國內(nèi)市場需求量較大，市場前景廣闊。
據(jù)中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(COEMA)激光分會的統(tǒng)計, 2002年全國激光加工系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)值首次突破10億元,達(dá)到10.355億元,比2001年增長65%。2002年全球激光加工市場銷售額為29.9億美元（約260億人民幣）,兩者相比,中國約占1/26。工業(yè)激光加工設(shè)備首先在中國國內(nèi)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、較活躍地區(qū)獲得快速應(yīng)用。例如，在廣東省于2002年底約有1500多臺CO2和Nd:YAG激光打標(biāo)機,用于PC鍵盤等其他元器件的加工；約有100多臺激光劃片機用于太陽能電池晶片和芯片的加工；例如,浙江省橋頭鎮(zhèn)用于衣服紐扣打標(biāo)的激光打標(biāo)機已有100多臺,該小鎮(zhèn)生產(chǎn)的衣扣占全球衣扣市場的40％多。國內(nèi)激光打標(biāo)占國內(nèi)工業(yè)激光市場45.3％,并且主要應(yīng)用于輕工業(yè)品、小五金工業(yè)品等領(lǐng)域。這表明國內(nèi)激光打標(biāo)將要占領(lǐng)的應(yīng)用領(lǐng)域很大。
目前，國內(nèi)激光設(shè)備廠商主要以提供低端設(shè)備為主，激光器也以傳統(tǒng)的燈泵YAG固體激光器和低端的CO2激光器為主。各種激光加工設(shè)備中的很多關(guān)鍵器件都需要進(jìn)口。雖然中國激光技術(shù)研究一直處于世界前列，但是激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展確實與國際先進(jìn)水平的差距懸殊。例如，國際上汽車制造業(yè)中的激光應(yīng)用早已非常普遍，而國內(nèi)所有的汽車生產(chǎn)線都是采用國外的激光加工設(shè)備。
目前，半導(dǎo)體器件制作單位對紫外劃片機顯示出強烈的需求愿望，但進(jìn)口價格昂貴，且售后服務(wù)不盡人意，時間無法保證。作為激光加工產(chǎn)品對可靠性要求很高，若產(chǎn)生故障沒有3個月是無法修復(fù)的，而國外公司對這類激光器技術(shù)是絕對保密的，絕不可能將維修放在國內(nèi)。激光劃片機市場需求量按目前市場估算，一般傳統(tǒng)激光劃片機銷量為100臺/a，其中將有60%為基頻高光束質(zhì)量全固態(tài)激光器或紫外全固態(tài)激光器所替代。因此，盡快研制開發(fā)出自己的高性能全固態(tài)紫外激光器及劃片機產(chǎn)品，特別是將其盡快產(chǎn)業(yè)化，并帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)技術(shù)跨越，進(jìn)入高端領(lǐng)域，這無論從技術(shù)創(chuàng)新上來說，還是從提高產(chǎn)品檔次，擴展出口品種，占領(lǐng)國際市場方面來說，都有重要的意義。
國內(nèi)激光加工應(yīng)用市場巨大，而這個市場自加入WTO以來，正在迅速形成的“全球制造基地” 而獲得快速增長。國內(nèi)外投資者和激光業(yè)者正在搶占這一市場。因此，國內(nèi)的激光加工應(yīng)用市場將迅速增長，激光加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)加速實現(xiàn)。國內(nèi)從事全固態(tài)激光器和激光加工技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)和經(jīng)營的企業(yè)正面臨極好機遇和挑戰(zhàn)。
但目前國內(nèi)激光加工設(shè)備制造所用的全固態(tài)激光基本依靠進(jìn)口，購買價格昂貴且售后服務(wù)滯后，使工業(yè)化應(yīng)用受到很大制約，嚴(yán)重地影響了我國激光加工制造業(yè)的快速發(fā)展，成為制約我國激光加工行業(yè)的瓶徑之一?，F(xiàn)階段，我國激光技術(shù)的發(fā)展正處于一個關(guān)鍵的抉擇時刻，將對我國今后激光技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略性影響。為了促進(jìn)全固態(tài)激光器及應(yīng)用系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化和制造水平的發(fā)展，提升我國激光技術(shù)水平和國際競爭力，滿足國內(nèi)對可靠穩(wěn)定的激光技術(shù)和器件的急切需求，在“十一五”期間，有必要加強在全固態(tài)激光器及應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)再創(chuàng)新，以全固態(tài)激光器件的產(chǎn)業(yè)化為起點，提高全固態(tài)激光器件的穩(wěn)定性和可靠性，滿足國家在制造業(yè)、醫(yī)學(xué)、科研、國防等的需求，打造擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的品牌全固態(tài)激光器及應(yīng)用系統(tǒng)；解決工程化關(guān)鍵技術(shù)與共性技術(shù)，推動激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，根據(jù)市場需要研究和開發(fā)，全固態(tài)激光器及應(yīng)用系統(tǒng)新產(chǎn)品，努力創(chuàng)造中國名牌產(chǎn)品，為我國激光應(yīng)用領(lǐng)域，提供穩(wěn)定、可靠的全固態(tài)激光器及應(yīng)用系統(tǒng)。
