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半导体泵浦固体激光器、光纤激光器和半导体激光器,各自优劣势以及应用领域和发展前景是怎样的?

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何鹏Herbert 核心会员 用户来自于: 北京市
2026-01-16 12:09
本来准备戒知乎了,看到这样的好问题又手痒了~~~ 优势和发展前景都挺好的,这是个屁股决定脑袋的问题~做什么激光器的肯定觉得自己方向有前途呀 哈哈 俗话说,尺有所短,寸有所长,不同领域不同应用对于激光器的要求也不一样,不是谁可以完全取代谁,而是个你中有我,我中有你的问题,很难讲。 下面从技术、市场、择业三个方面分析一下: 先从技术角度分析: 以上三种形式的激光器,半导体激光器是命根子,无论光纤还是固态都依赖于半导体激光器的发展。 半导体泵浦固体激光器也就是所谓DPSSL,顾名思义,是靠半导体激光LD泵浦的,电光转换效率、输出波长、耦合难易程度直接影响制约DPSSL的发展。 举个例子,以工业紫外纳秒皮秒DPSSL来说,做高功率一般是用掺Nd的晶体,以前LD模块大部分是808nm的波长,量子效率略低,热效应大,为了克服热透镜的影响,设计腔型时不得不采用双向泵浦或级联多个晶体泵浦,或把晶体做很长,并减小掺杂浓度。但现在880nm-890nm的LD模块出来后,带内泵浦(In-Band Pumping)慢慢成为主流,其量子效率高,废热少,对于腔型设计、晶体散热的工作就相应简化了很多。如果914nm的LD功率继续提高,热负荷进一步降低,估计会取代并成为新的主流泵浦技术。 另外,以前在LD没有锁波的时候,其输出波长非常依赖于LD温度的变化,功率一高温控不好的话,输出波长一下就变了,偏离晶体吸收峰,造成功率下降。现在通过前端芯片内刻光栅进行锁波,可以将输出波长稳定在想要的波长上,对温度控制的要求就低了,也简化了固体激光器系统的设计。 “你中有我,我中有你”,体现在固体激光器里,就是LD通常都是光纤耦合输出的。因为单管能量较小,光束质量也不好,一般是整形耦合到光纤中输出,提高一下光束质量。 光纤激光器也一样,也是以LD为泵源,功率效率的提升、系统的简化也同样依赖于LD芯片的发展。 但光纤牛逼之处在于几点,一是光纤透射率非常之高,好像1km的光纤的损耗率相当于1mm的熔石英;二是光纤散热太牛逼,表面体积比极高;三是现在发展了一整套光纤器件,反射镜、隔离器、耦合器、波分复用器、声光调制器等等全都可直接和光纤熔接,几乎不需要空间光路,全光纤结构机械稳定性、热稳定性都好的一B,没法比,没法比~~~ 高功率方面: 以大功率连续、脉冲激光而言,归根结底都需要大功率半导体激光,固体和光纤的你卖的越多,你买的LD模块就越多,取代不了的。这里就不战而胜了。 半导体被人诟病比较多的是光束质量,要想把几万瓦的激光整形好不是件容易的事,光束整形的技术很多,通常是把多个bar条经过透镜阵列整形合束,空间光路多一点,控制发散角什么的不太容易。印象里M2都是大于10的吧。 大功率光纤激光有光纤合束器,功率实在太大了可以采取偏振合束等方式,各个光纤激光模块之间可以做到即插即用,比较灵活,由光纤耦合输出后,模式不好的损耗掉了,能输出的光束质量很好。 IPG的10万瓦1070nm: 高功率方面,固体激光能与之一战的估计只有板条和薄片激光器了, 高功率激光的难点说白了就是散热,那么只有增大增益介质的表面/体积比,而光纤、板条、薄片无非是增大散热面的两种路线: 板条: 薄片: 这些我在之前的一个回答中讲过类似的,看过我之前回答的应该有印象了,偷个懒放在这里: 激光技术前沿应用及研究有哪些方向?国内外相关就业方向有哪些?硕士阶段选半导体还是光纤激光器更好? 板条的光束没整形的话是条状的,需要用圆光斑的话还要用柱面镜组、微透镜阵列整形一下。但M2因子也要辩证看待,如很多工业用途是需要长条光斑的,比方说激光熔覆,长条光刷一下就好了,小光斑要XY遍历一遍,效率低不说,还可能熔覆不均匀。如果是光纤激光的话还需要特别整形成长条光斑,所谓凡事无绝对。 薄片由于在激光行走的径向上不存在热梯度,因此输出的几乎是高斯光斑,或使用匀滑片后的平场光斑。 短脉冲方面: 大能量是光纤的目前的死穴了,由于光纤芯径很小(芯径太大也不是光纤了),能够承受的峰值功率密度不会太高。毫焦量级的脉冲估计需要大模场棒状光纤了,像耶拿大学那种,一米多长不能弯,体积也就大了。多个棒状光纤偏振合束可以提高脉冲能量,但是同步精度、复杂度也就高了很多,而且大能量经过光纤后输出光斑不太稳定,存在随机演化的现象,只能说什么工具干什么活,这活不太适合它。 另外就是光纤种子和放大的话ASE较多,也就是说在主脉冲两侧通常还有较强的基底, 毫焦量级的激光目前还是LD和DPSSL的主场,再大的焦耳级的能量多数是灯泵,就不在讨论范围内了。 但是在微焦量级的短脉冲激光器方面,也就是近来最火爆的超快激光精密加工上,光纤还是有很大的优势,大概占据三分之二的市场份额。 皮秒飞秒切割主要在脆性材料加工上有着不可替代的作用,特别是手机屏幕切割、液晶屏、OLED等切割方面,目前技术路线主要有三种: 一是SESAM锁模的固体激光器,再生或行波放大,(后续可能再加放大级),10ps量级; (好处主要是成本上,固态的不需要CPA,省了展宽压缩的事儿,所以一旦做稳定后也有很大市场空间。) 二是光纤种子源光纤放大,300fs~ps量级; (由于需要的峰值功率并不太高,还不足以引起较大的非线性效应或引起放大,因此通常而言光纤飞秒激光器已经适用了。脉冲对比度差一点的话在这种应用上要求不高,因此不是什么接受不了的。) 三是光纤种子源,固体再生或行波放大。 (需要大能量,又需要稳定性的时候,往往会采取第三种技术路线,光纤混搭固体放大。这样既利用了光纤振荡器皮实稳定的特点,又避开了能量上的钳制。) 这里可能要多说一点,激光器的长期稳定性主要来自于指向稳定性,而振荡器的稳定性通常是固体激光器的短板,因为增益区的光斑模式通常很小。后续放大时由于光斑泵浦区域比较大,增益介质处模式一般也设计比较大,通常稳定性还可以。而采用全光纤结构的种子源后,稳定性有很大提升,又结合固体放大能量没有上限的优点,是个不错的选择。(我所知的通快Trumpf和Lumentum都是采用这样的混搭结构。我们光谱物理Spirit的100W飞秒的我不知道是不是也是这样,尴了个尬。通快的Dira系列应该就是这样做到1J-1kHz-800fs的。) 但是峰值再往高了走,比如科研领域,对脉冲对比度的要求较高,平均功率要求较低,一是能量没什么限制,二是脉冲干净,(固体的色散好控制,脉冲对比度高,ASE少),优势比光纤要大一些。不同领域不同的需求。 我们的一个感觉是,固体激光器做稳定是技术问题,光纤激光器脉冲做干净是科学问题,技术问题解决起来无非是成本的问题,比如应力处理好,温湿度控制好,伺服系统做好,都是现有技术可以实现的,而且科研环境通常恒温恒湿还隔振,稳定性对于固体激光器不算问题。而光纤中的科研问题还需要探索。因此做皮秒飞秒科研市场,综合考虑比较好走的是固体的路线,不过科研市场嘛。。。 纳秒绿光紫外方面: 这基本上是固态的天下了,一方面半导体直接输出这个波长和脉冲还有些吃力,光纤呢需要腔外倍频效率较低,因此多数都是腔内倍频DPSS。 应该是PI先搞出来的技术,腔内功率密度高,直接放入倍频、和频晶体,采用镀膜或布角将所需波长光输出就行了,百赫兹重频的,近两年爆发式增长,基本已经被国内做烂了,年产几千上万台,大大降低了国外激光器的售价。主要用于切割打标等。 倒是kHz大能量比较难,不是做这个的,我也不太清楚难点在哪。 10Hz大能量基本是灯泵,腔外倍频就够了,但是这么大的能量光纤承受不了,半导体主要是连续和准连续,基本是灯泵固体激光的天下。 再从市场角度分析: 从事一个行业,选择一个专业肯定不能闭门造车,要宏观地看一下市场需求才能找准自己的定位。 推荐顾波老师去年的一篇文章:(讲工业激光的,看财报就知道了,得工业者得天下) 国内外工业激光市场发展与展望 解读几个核心点: · 光通讯市场几乎占据了激光产业的半壁江山,主要是半导体和光纤激光。 · 未来增长最快的,半导体和量子级联激光 · 微加工市场展望,准分子依然坚挺,光纤占比越来越多,固态和CO2保持不变。 所以综合比较,半导体和光纤还是市场大,绑的也很紧,光纤要用半导体泵浦,传输和放大可以利用光纤,相辅相成。固体激光没那么强势。 再从择业角度考虑: 我不知道题主问这问题是要选方向还是投资怎的,就自作主张,从择业的角度聊聊吧, 先说就业: 我是做固体激光的,我站光纤。(此处应捂脸) 首先,据说做光纤的工资高。 你想,固体激光没啥了不起的,学一学就会,无非是镜片摆一摆,拧拧螺钉啥的。光纤激光不一样,设备都不一样,切割机熔接机要会操作吧,一大堆专业设备要学操作吧,光培训就老花钱了,学成了身价自然不一样。烧个晶体千把块钱,钛宝石也就几万吧,烧根光子晶体光纤多少钱?你的经验和身价都是烧钱烧出来的。 再者,激光器只是一个小方向啊,学了光纤之后转行好转啊,去光通讯什么的,钱多,选择多。学固体激光呢,估计转行只能去光学,镜头设计什么的,没那么容易,我们做固体的几乎不设计镜头的,要学好多几何光学的东西。唉。 再说创业: 这个我站固体,门槛低一点,(薄片板条除外),不是太烧钱,不是特别重资产,纳秒皮秒飞秒都玩得起来。 加上时间刚刚好,国内还没有形成一家独大的局面,还有的打。光纤的话,做超快也有的打,要搞大功率就洗洗睡吧,投入太大,对手太强啃不动。 如果有条件圈钱,不管拿政府还是拉投资,推荐可以搞板条和薄片,基本真空,目标大,钱也好申。 最后说国家层面的扶持: 半导体激光,量子级联。 体量极大,这个没有国家层面的支持真搞不起来。 别看那么小的芯片,这是真正的命根子和上游啊, 相干买了Dilas,加上恩耐和贰陆, 国内目前都是筛选和封装,只能指望买了Limo的炬光,尽快把芯片生产工艺完全掌握在自己手里了。 中美贸易战一打起来,LD模块要贵不少,国内做光纤和固体的都准备好了么? 另外听闻苏州那边在大张旗鼓地做LD了,有制备芯片的核心技术,希望能做好吧,加油。 还是那句尺有所短,寸有所长,希望激光行业百花齐放,百家争鸣吧。 天马行空啰嗦了这么多,疏漏肯定不少。才疏学浅,敬请指教。 我的相关回答: 对加快我国飞秒激光的发展有何建议?激光技术前沿应用及研究有哪些方向?国内外相关就业方向有哪些?硕士阶段选半导体还是光纤激光器更好?如何看待《整整15年:美国终于打破中国这项技术封锁》?激光武器系统对于国防建设的意义?在设计脉冲激光器时需要注意什么问题? 欢迎关注我的专栏: 瞬态光学研究笔记

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Aaron 核心会员

这家伙很懒,还没有设置简介

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发布时间
2026-01-16 13:44
更新时间
2026-01-16 13:44
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