3分钟了解微片激光器

微片（Microchip）激光器是一种小型全固态脉冲激光器，用高掺杂的晶体材料作为增益介质，一般腔长控制在毫米量级。由于腔长相对较短，大大缩短了谐振腔内的光子寿命，更容易实现激光器的短脉宽输出，光束质量好，激光亮度高，也可以实现单纵单频激光输出。正是由于这一特点，这种激光器的结构非常紧凑，使用寿命长，量生产。

图1 几种典型的脉冲激光特性比较

目前，世界上对微片激光器的定义还不是特别清楚，通常认为： 微片激光器是一种被动调节 Q 、微型固体激光器具有亚纳秒和高峰值功率。

然而，这个定义通常指的是增益介质Nd:YAG、Nd:YV O 4 这种微片激光器不全面。例如，对于Er被动调玻璃 Q 微固体激光器的脉宽通常为5 ns附近，亚纳秒的定义不是很准确。此外，随着激光制造水平的迭代升级，越来越多的结构紧凑，小型主动调整 Q 窄脉宽微固体激光器将推出，微片激光器的定义将被重写。

微片激光器性价比高，结构小，广泛应用于激光测距、激光雷达、激光加工、激光种子源、生物医学、激光诱导、拉曼光谱检测、质谱及科研等领域。

一

微片激光器的结构和特点

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亚纳秒被动调 Q 微片激光器

图2 亚纳秒被动调 Q 微片激光结构

增益介质为Nd:YAG、Nd:YV O 4 ，被动调 Q 晶体使用Nd:Cr 4 YAG输出波长为10的微片激光器 nm，532 nm，355 nm及266 nm激光输出，脉宽比较常见 ns附近，700 ps左右，500 ps等，目前，中国较短的脉宽为300 ps。这种激光器，脉宽介于皮秒和纳秒之间，峰值功率强，脉宽相对较短。这种激光器的脉宽介于皮秒和纳秒之间，峰值功率强，脉宽相对较短。与纳秒激光器相比，可以弥补纳秒激光器脉宽带来的热效应问题。

例如，在医疗美容行业，皮肤在纳秒激光的作用下会产生热效应，操作不当容易造成皮肤损伤，而亚纳秒激光会在人体皮肤中产生机械效应，达到治疗目标，不会损伤皮肤。另一个例子是，在材料微加工领域，纳秒激光的脉冲宽度较宽，导致材料的热积累，使加工效果不理想，亚纳秒微激光可以弥补这一不足。

与皮秒或飞秒激光相比，虽然这种微片激光器的脉宽不够窄，但100皮秒的脉宽仍然可以应用于大多数领域。此外，由于结构紧凑、性价比高、稳定性高，微片激光器在工业领域的应用更广泛。

1535 nm被动调Q人眼安全微片激光器

增益介质为Er玻璃微片激光器的输出波长为1535 nm，可广泛应用于人眼安全测距，目前国内可实现200-300 μJ能量输出，10-20 Hz重复频率和5 ns这种激光器通常稳定性高，可用于-40℃~60℃极限温度使用环境。

图3 1535 nm被动调 Q 人眼安全微片激光器结构

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主动调 Q 窄脉宽激光器

主动调 Q 窄脉宽激光器不是传统意义上的微片激光器，但其体积越来越小，脉宽越来越窄。脉冲能量250在中国已经实现 μJ，重频可达5 kHz，脉宽窄到2 ns的主动调 Q 尺寸与微片激光器相似的激光器。与被动调相比 Q 亚纳秒微片激光器主动调整 Q 窄脉宽激光器的时间抖动小于1 ns，远低于微片激光器的微秒量级，可以满足荧光寿命等对时间抖动要求较高的应用领域。

图4 主动调整Q窄脉宽激光器和纳秒时间

二

微片激光器的主要应用

由于其结构紧凑、稳定性高、性价比高，微片激光非常适合大规模工业化应用。

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测距应用

图5 人眼安全测距激光器和小型测距模块

用于测距的激光器种类繁多，所有类型的激光器，包括半导体激光器、全固态激光器、光纤激光器等，都广泛应用于测距领域。

微片激光器在测距应用中的优点是体积小、重量轻、工作范围宽、峰值功率高。这些指标使微片激光器能够集成在非常紧凑的设备中，并在极端使用环境中探测到相对较远的距离。

目前，激光测距仪正朝着安全性高、测量距离长、精度高、功耗小、规模小的趋势发展。上一代测距机的发射激光不属于人眼安全激光，容易损坏人的视网膜，对使用非常不利。1535 nm测距机的应用越来越广泛，全面普及将是必然趋势。

图6 人眼安全激光测距系统原理图

近几年基于Er玻璃的1535 nm人眼安全激光的需求日益增加。特别是在军事领域，由于要求的温度使用范围极其苛刻(一般为-40℃~60℃），而且要求很小很轻的包装，造就了国内1535 nm微片激光器的指标逐渐优于国外同类产品。

国内已知的1535 nm在人眼安全测距激光产品中，单脉冲能量200 μJ，重复频率10 Hz，脉宽5 ns激光组件的重量已达到10 g长度在25以内 mm；单脉冲能量3000 μJ探测距离较远的激光器的重量为12 g长度在35以内 mm。

数据显示，国产1535 nm人眼安全激光器已轻松通过-40℃~60℃极限温度的启动指标优于国外同类产品。此外，对于1 kHz1535 nm人眼安全测距激光器，国内水平也达到40 μJ上述单脉冲能量输出。

小型化人眼安全激光测距机主要由激光发射模块、光学收发系统、激光接收系统和信号处理系统测距系统采用Er玻璃固体激光器产生1535微焦能量、低重频和窄脉宽 nm激光，采用InGaAs的APD作为信号探测，TDC测量飞行时间，以获得准确的距离信息。

图7 1535 nm人眼安全激光器应用于测距领域

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三维成像雷达应用

目前主动调 Q 窄脉宽激光器，被动调节 Q 亚纳秒激光组件和系统非常适合这一领域。

图8 国内用于三维激光雷达的主被动调节 Q OEM激光器组件

典型的单点激光雷达通过光学系统直接发射激光信号，照射测量目标，通过光学接收系统收集目标反射和散射的光信号，通过光电探测器和信号处理系统分析获得返回信号的信息。为了捕获目标上的多点距离信息，基于面阵探测器技术的三维成像激光雷达在成像表面进行了三维扫描。

图9 扫描三维激光雷达原理图

图10 三维成像激光雷达原理图

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微加工应用

图11 硬脆材料微加工领域各种脉冲激光器的特点比较

与大功率光纤激光器和全固态激光器不同，微片激光器更适合硬脆材料的微加工领域。

目前，微加工系统正朝着体积小、重量轻、加工性能更精密的趋势发展。传统的硬脆材料加工激光器是纳秒激光器，脉宽一般为5 ns以上，体积大，环境要求高，稳定性差，热效应大，对许多材料的加工效果不理想。此外，虽然皮秒和飞秒激光器具有良好的微加工性能，但价格昂贵，体积大。

高功率、高频亚纳秒激光是一种性价比高的准超快激光，具有皮秒激光的加工精度和普通纳秒激光的价格优势，在精密微加工领域具有广阔的应用前景，深受工业客户的青睐。

图12 硬脆材料微加工系统原理图

脉冲激光器通常用于硬脆材料的微加工系统CCD相机由成像光学系统、振动镜控制系统或多维移动旋转平台、输入/输出控制模块、计算机和控制软件组成。利用激光的高能特性，通过光子与材料的相互作用，对材料进行打标、打孔、划线、切割、内雕等加工。广泛应用于微电子、微机械、微光学加工等领域，具有效率高、精度高、非接触式等优点。

三小结与展望

除上述应用外，微片激光器还广泛应用于气象雷达、拉曼检测、激光超声、激光诱导荧光、激光诱导击穿光谱、时间飞行质谱、医疗美容等领域。

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等也已或即将加入。

此外，亚纳秒微片激光器的重复频率和单脉冲能量将进一步优化。对于1535 nm在保持足够紧凑稳定的包装结构的前提下，进一步提高人眼安全微片激光器的单脉冲能量，以满足人眼安全距离测量的要求。