商用工业级全固态半导体激光泵浦266nm.ppt

深圳市瑞丰恒科技发展有限公司 2010年11月 商用工业级全固态半导体激光泵浦 266nm深紫外激光器 项目介绍 一、项目应用背景 国外现状 国内现状 二、 项目目标和意义 三、项目的技术指标 四、项目技术方案 基本结构框架 技术关键 技术及可行性分析 一、项项目应应用背景 激光材料处理及加工的原理是基于材料和工件对激光的吸收, 最终导致 的激光对材料的破坏. 不难理解,激光的波长越短,光子的量子能量越大,在同样吸收 情况下激光对材料的破坏就越强, 激光的材料处理及加工就越有效. 而且,绝大多数 材料对激光的吸收在可见光到深紫外区随波长缩短而明显增加. 另外,同样光束质 量及光斑尺寸的激光,聚焦点大小与波长成反比,因此要求越精密的加工,需要的激 光波长越短.这就是激光加工领域不断追求紫外及深紫外激光的原因. 因此, 如果说 今天的金属切割焊接和热处理等领域由高功率CO2激光主导,那么紫外和深紫外激 光的应用将是明天的激光材料处理及精密加工技术的发展趋势. 激光材料处理及精密加工领域的核心技术在于激光器. 紫外激光器由于 其研发和制作上的特殊难度因而更是核心中的关键. 目前国内外都使用三倍频和 四倍频1064nm基频光的方法实现紫外及深紫外DPSS固体激光输出，进而进行激 光精密加工等应用。因为波长更短的原因，通常在相同的光学系统条件下，使用 266 nm的激光比355 nm 的激光所得到的光斑更小，脉宽更短, 而且热影响区域 更小,加工过程更精确。应用发现，使用355 nm激光能够做到的，使用266 nm激 光都同样能够做到，而且后者通常效果更好. 另一方面, 使用266 nm激光往往可以 进行许多使用355 nm激光不能进行的加工。 紫外及深紫外激光在工业中的应用, 使得激光精密加工范围从金属材料拓展到陶瓷, 塑料, 玻璃,有机材料和生化材料, 半导体材料, 聚合物和其他特种材料等. 从技术上讲, 实现工业应用级266nm DPSS激光的技术要求更高. 国外现现状 几年前国外已经研制成功了实用化、紧凑型全固态355nm 及266 nm深紫外 光源。例如超过半数的(高端)紫外激光加工设备均采用美国相干Coherent和光 谱物理公司的激光产品. 一向致力于开发高端前沿激光器的相干Coherent公司 工业激光领域近几年的主打产品一直是紫外激光器. 目前Coherent 28W的 355nm激光器已经投放市场; 10-20W的355nm激光器其他公司如Spectra- Physics,JDSU等都有销售;1-10W的355nm激光器国外的一些小公司也在致力研究 开发并有所销售. 266nm深紫外激光器由于技术要求更高,虽然有几家公司都曾 宣布几瓦甚至十几瓦的实验室报道, 以及国外某几个研究机构报道过几十瓦的 266nm激光实验结 果, 但目前只有Coherent等为数很少数的几家大公司有工业 级的产品,比较可靠的是Coherent 的AVIA-266 3W级激光器. 能提供1-3W 266nm 工业级激光器产品的公司也并不是很多. 现实情况是: 3W以上266nm激光器今后几年仍将是少数几家大公司争夺的 市场,3W以下的中小功率266nm激光器由于仍将是应用领域中的主体,来自中小 公司的竞争会增强; 随着制造业对加工工艺和质量要求的进一步提高,其对激光 精密加工技术的依赖将越来越强, 266nm激光器的市场竞争无疑会越来越激烈. 国内现现状 目前国内在355nm激光器方面已经有一些产品,功率集中在1- 7W中低功率,如深圳瑞丰恒和深圳大族自主研究开发出的用于工 业打标,刻划,快速成型等领域的355nm激光产品, 还有几家公司通 过技术引进等也实现了5W左右的355nm激光器产品. 但中高端 355nm紫外激光应用系统所使用的激光器仍主要依赖进口,而且高 功率的紫外激光器某些型号仍受美国等的出口限制. 在266nm激光方面,国内还未有达到实用化的工业级、输出功 率达到瓦量级的266 nm深紫外光源。激光应用系统使用的这种激 光器几乎全部依赖进口. 二、项项目目标标和意义义: 率先在国内推出工业级 1-3W 266nm全固态深紫外激光器,实现 有自主知 识产权 的国产高端266nm激光器,取代进口产品或摆脱进口受限制的困境,加速激 光精密加工技术在国内制造业中的进展和应用,提升中国制造的技术附加值, 引 领国内激光技术产业 前沿。 三、项项目的技术术指标标 1000mW 266nm 工业级 全固态紫外激光器; 寿命工业级 8000-10000小时。 四、技术术方案 本项目将采用腔外四倍频方法实现266nm的紧凑型深紫外激光光源。其平均功 率为1瓦以上量级，重复频率1050000Hz，脉冲宽度几十纳秒。设计寿命为8000- 10000小时,采用全密封主体设计满 足各种工业环境的使用要求. 基本结构框架 技术术关键键: 266nm激光实现 的技术难 点在于四次谐波转换 . 目前国内外普遍采用的是两种晶体: BBO和CLBO. BBO晶体生长和加工技术比较成熟, 是比较好的OPO晶体, 用BBO也可以实现 266nm的 四次转换 , 但由于对266nm激光材料本身的吸收, 晶体内谐波与基波较大的分离角, 以及双 光子激发效应等等, 使266nm激光达到一定功率水平后进一步转换 效率受到限制, 而且光 束质量不易控制. 另外, BBO 晶体很易潮解, 需要在较好的干燥环境下操作才能维持一定的 寿命. 另外, 266nm对很多镀膜材料都有损伤 , 因此光学镀膜的设计 ,工艺水平和破坏阈值 等直接决定了266nm激光器的可靠性和实用价值. CLBO晶体与BBO相比, 谐波转换 效率高, 但晶体本身对湿度更敏感更易潮解, 使用过程 的工艺更复杂. 商用CLBO通常是选择 日本一家公司的专利产品, 因此价格昂贵. 目前国内 也有生产, 价格上会有竞争优势 , 质量方面实验 数据尚待收集. 由于同样应 用于产生 266nm激光, CLBO的晶体镀膜也要解决材料的破坏阈值 等问题 . 我们将采两种方案: 1)用国产的BBO的方案实现 266nm激光. 为解决晶体的寿命问题 ,我们将采用独 创的反馈式谐波刷新技术, 这一技术曾使我们的355nm激光寿命延长50-80倍. 另外,我们 将采用特殊的光学设计对 光束分离进行补偿 来增加转换 效率,提高光束质量. 实现 1W-2W 的产品 2)用国产CLBO, 经特殊的封装设计 , 冲击3W以上的指标, 为高功率266nm商用工 业级 激光器做准备. 如国产CLBO的质量过关, 即可实现 商用工业级 中高功率266nm激光器 全部国产化. 266nm激光容易出现光束漂移, 这会给精密加工带来问题 . 高档的激光器应该 尽 量减小这种漂移. 我们的解决方案是采用闭环 随动控制实现 功率和光束的同时锁 定. 基频光的稳定性对266nm激光的稳定性也有影响. 为此, 我们将采用升级的偶合模式控制 方案来确保266nm激光的最大稳定性. 技术及可行性分析 由于266nm谐波转换效率很难达到355nm的转换水平, 我们选择50W的泵浦 源采用侧直偶合模控制技术获得15W调Q TEM00模的基频光. 由LBO晶体内腔I类倍频 产生10W绿光输出. 这一结果我们已于2009年由单模块实现. 对比国外的工业激光器数据, 20W的532nm绿光在使用CLBO时最大可以输出5-6W的 266nm激光(有些资料报道过实验室40%的532nm-266nm转换效率). 考虑到晶体的老 化等原因(晶体内部的各种缺陷导致的晶体黑化速度随紫外激光光强增加而明显加快 ), 工业级266nm激光在降低光通量为最大指标的一半以下后才可实用. 这也是目前单 棒紧凑结构选择在3W为最大输出的原因. BBO的效率通常为CLBO的70%左右. 因为BBO晶体国内生产技术比较成熟, 质量上成, 我们主要采用BBO晶体, 由10W的 TEM00模绿光经过BBO四次谐波转换, 实现1W以上的266nm激光. 如果采用特殊的设 计对光束分离进行补偿, 有望使转换效率进一步提升并确保产品性能指标在其寿命周 期内的余量. 由于50W单模块风冷方案已经获得实现, 因此在我们现有的平台下, 主要的技术突 破还将在以下几方面: (1)使用国产的BBO晶体及镀膜, 由特殊的光学设计来达到增强 266nm激光的效率,可靠性和寿命. (2)