微片（Microchip）激光器，是一種激光二極管抽運，用高摻雜的晶體材料作為增益介質的小型全固態(tài)脈沖激光器，一般腔長都控制在毫米量級。由于腔長比較短，其大大縮短了諧振腔內的光子壽命，從而更容易實現(xiàn)激光器的短脈寬輸出，且光束質量好、激光亮度高，亦可實現(xiàn)單縱模單頻激光輸出。也正是由于這個特點，使得這類激光器的結構非常緊湊、壽命長、容易批量化生產(chǎn)。

圖1 幾種典型脈沖激光特性比較

目前，世界上對微片激光器的定義還不是特別明確，通常意義上認為：微片激光器是一種被動調Q、亞納秒、高峰值功率的微型固體激光器。然而，這個定義通常指的是增益介質為Nd:YAG、Nd:YVO4這類的微片激光器，并不全面。例如，對于Er玻璃的被動調Q微型固體激光器，由于脈寬通常在5 ns附近，亞納秒這個定義就不是十分準確了。另外隨著激光器制造水平的迭代升級，越來越多的結構緊湊、小型化的主動調Q的窄脈寬微型固體激光器將面世，微片激光器的定義相信將會被改寫。微片激光器具有很高的性價比、小型化結構，廣泛應用于激光測距、激光雷達、激光加工、激光種子源、生物醫(yī)療、激光誘導、拉曼光譜檢測、質譜及科研等領域。

微片激光器的結構及特點

圖2 亞納秒被動調Q微片激光器結構

增益介質為Nd:YAG、Nd:YVO4，被動調Q晶體使用Nd:Cr4+YAG的微片激光器，輸出波長在1064nm，通過倍頻可實現(xiàn)532nm，合頻或四倍頻后亦可實現(xiàn)355nm及266nm激光輸出，脈寬比較常見的有1 ns附近，700 ps左右，500 ps等，目前國內可實現(xiàn)最短的脈寬為300 ps。這類激光器，脈寬介于皮秒和納秒之間，擁有很強勁的峰值功率，同時又可以保證相對很短的脈寬。和納秒激光器相比，可以彌補納秒激光器由于脈寬較寬所帶來的熱效應問題。例如，在醫(yī)療美容行業(yè)中，皮膚在納秒激光器的作用下會產(chǎn)生熱效應，操作不當易造成皮膚的損傷，而亞納秒激光則會在人的皮膚中產(chǎn)生機械效應，達到治療目標，同時又不會損傷皮膚。再例如，在材料微加工領域，納秒激光器其脈寬較寬，造成材料的熱堆積，從而使得加工效果不理想，而亞納秒微片激光器恰可以彌補這一不足。與皮秒或飛秒激光相比，這類微片激光器雖然脈寬和他們相比不夠窄，但是百皮秒的脈寬仍可以在絕大部分領域應用，此外，微片激光器由于具有結構緊湊，性價比及穩(wěn)定性高，更容易批量化生產(chǎn)等特點，在工業(yè)領域的應用則更加廣闊。

1535nm被動調Q人眼安全微片激光器

增益介質為Er玻璃的微片激光器，輸出波長在1535nm，可廣泛應用于人眼安全測距，目前國內可實現(xiàn)200-300 μJ的能量輸出，10-20 Hz的重復頻率及5 ns附近的脈沖寬度，這類激光器通常穩(wěn)定性很高，可用于-40℃~60℃的極限溫度使用環(huán)境。

圖3 1535nm被動調Q人眼安全微片激光器結構

主動調Q窄脈寬激光器

主動調Q窄脈寬激光器并非傳統(tǒng)意義上的微片激光器，但是其體積已經(jīng)做的越來越小，脈寬也做的越來越窄。國內已經(jīng)做到了脈沖能量250 μJ，重頻可達5 kHz，脈寬窄到2 ns的主動調Q激光器，尺寸和微片激光器大小相似。相比于被動調Q亞納秒微片激光器，主動調Q窄脈寬激光器除了較高的脈沖能量和重頻外，其時間抖動可小于1 ns，遠低于微片激光器的微秒量級，可以滿足一些對時間抖動要求很高的應用領域，如熒光壽命測試等。

圖4 主動調Q窄脈寬激光器及納秒級時間抖動

微片激光器的主要應用

微片激光器由于其結構緊湊、穩(wěn)定性高、性價比優(yōu)越的特點，非常適用于大批量工業(yè)化應用。

1.測距應用

測距用激光器種類繁多，所有激光器類型，包括半導體激光器、全固態(tài)激光器、光纖激光器等都在測距領域有廣泛的應用。

圖5 人眼安全測距激光器及小型測距模塊

微片激光器在測距應用方面的優(yōu)勢是：體積小、重量輕、寬溫度工作范圍、峰值功率高。這些指標，造就了微片激光器可以在極限使用環(huán)境下，作為發(fā)射系統(tǒng)的最關鍵部件，集成在非常緊湊的設備中，且能探測到相對很遠的距離。目前，激光測距儀正朝著安全性高、測量距離遠、精度高、功耗小、小型化的趨勢發(fā)展。上一代測距機的發(fā)射激光不屬于人眼安全激光，容易損傷人的視網(wǎng)膜，對使用十分不利。小型化、高可靠性的1535nm在測距機中的應用越來越廣泛，全面普及將是必然趨勢。

圖6 人眼安全激光測距系統(tǒng)原理圖

近幾年基于Er玻璃的1535nm人眼安全激光的需求與日俱增。尤其在軍用領域，由于要求的溫度使用范圍極其苛刻（一般在-40℃~60℃），且要求非常小且輕的封裝，造就了國內1535nm微片激光器的各項指標逐步優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。目前已知國內的1535nm人眼安全測距激光產(chǎn)品中，單脈沖能量200 μJ，重復頻率10 Hz，脈寬5 ns的激光器組件，其重量已經(jīng)做到了10 g以內，長度做到了25 mm；而對于單脈沖能量300 μJ的探測距離更遠的激光器，重量做到了12 g以內，長度做到了35 mm。數(shù)據(jù)表明，國產(chǎn)的1535nm人眼安全激光器已經(jīng)輕松通過了-40℃~60℃極限溫度的開機測試，指標優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。此外，對于1 kHz以上高重頻要求的1535nm人眼安全測距激光器，國內水平也做到40 μJ以上的單脈沖能量輸出。小型化人眼安全激光測距機主要由激光發(fā)射模塊、光學收發(fā)系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)四大部分構成。人眼安全測距系統(tǒng)采用Er玻璃固體激光器，產(chǎn)生幾百微焦能量、低重頻、窄脈寬的1535nm激光，采用InGaAs的APD作為信號探測，TDC進行飛行時間測量，從而得到精確的距離信息。

圖7 1535nm人眼安全激光器在測距領域應用

2.三維成像雷達應用

三維激光雷達區(qū)別于單點激光測距雷達，除了探測目標有無和距離外，還要通過掃描系統(tǒng)或者面陣成像系統(tǒng)，解決探測目標是什么和怎么樣的問題。激光成像雷達在地質與農(nóng)林特征捕獲、軍事目標識別與跟蹤、建筑設計規(guī)劃、資源勘探、安防搜救等諸多領域具有廣泛的應用市場，該技術應用已經(jīng)充滿了現(xiàn)代文明的每一個角落。目前主動調Q窄脈寬激光器、被動調Q亞納秒激光器組件及系統(tǒng)非常適用于這一領域。

圖8 國內應用于三維激光雷達的主、被動調Q OEM激光器組件

典型的單點激光雷達發(fā)射經(jīng)過光學系統(tǒng)準直后的激光信號，照射測量目標，通過光學接收系統(tǒng)收集目標反射、散射的光信號，通過光電探測器和信號處理系統(tǒng)分析獲取返回信號的各項信息。為了捕獲目標上的多點距離信息，后續(xù)相繼發(fā)展出在成像面進行三維掃描激光雷達、基于面陣探測器技術的三維成像激光雷達。距離選通技術是利用脈沖激光器和選通攝像機快門配合，使由被測目標場景反射回來的輻射脈沖剛好在攝像機選通開啟時間內到達攝像機并成像，從而可大大減小后向散射光的影響，提高系統(tǒng)的探測靈敏度和識別距離，這種技術被廣泛應用在三維成像激光雷達中。

圖9 掃描式三維激光雷達原理圖

圖10 距離選通三維成像激光雷達原理圖

3.微加工應用

圖11 各類脈沖激光器在硬脆材料微加工領域的特性比較

不同于大功率光纖激光器及全固態(tài)激光器，微片激光器更適合用于硬脆材料的微加工領域。目前微加工系統(tǒng)正朝著更小的體積、更輕的重量以及更精密的加工性能趨勢方向發(fā)展。傳統(tǒng)的硬脆材料加工所用的激光器為納秒激光器，脈寬普遍在5 ns以上，體積龐大，對環(huán)境要求高，穩(wěn)定性差，且熱效應較大，對于很多材料的加工效果并不理想。此外，皮秒、飛秒激光器在微加工性能雖然較好，但價格昂貴，體積龐大。高功率、高重頻的亞納秒激光器是一類高性價比的準超快激光器，兼具皮秒激光器的加工精度和普通納秒激光器的價格優(yōu)勢，在精密微加工領域有著廣闊的應用前景，倍受工業(yè)客戶的青睞。

圖12 硬脆材料微加工系統(tǒng)原理圖

硬脆材料微加工系統(tǒng)通常由脈沖激光器、CCD相機，激光準直聚焦及成像光學系統(tǒng)、振鏡控制系統(tǒng)或多維移動旋轉平臺、輸入/輸出控制模塊、計算機及控制軟件組成。利用激光高能量特性，通過光子與材料的相互作用實現(xiàn)對材料的打標、打孔、劃線、切割、內雕等加工。因其具有高效率、高精度、非接觸式等優(yōu)點，廣泛應用于微電子、微機械和微光學加工等領域。

三小結與展望

除以上應用以外，微片激光器在氣象雷達、拉曼檢測、激光超聲、激光誘導熒光、激光誘導擊穿光譜，時間飛行質譜以及醫(yī)療美容等領域亦有非常寬廣的應用。隨著國內微片激光器技術的不斷迭代升級，在常見波長：1535nm、1064nm、532nm、355nm、266nm以外，更多的特殊波長如1030nm、976nm、946nm、860nm、800nm、515nm、488nm、473nm、430nm、400nm、343nm、257nm、237nm、213nm等也已經(jīng)或將要加入進來。此外，對于亞納秒微片激光器，其重復頻率和單脈沖能量將會進一步優(yōu)化。而對于1535nm人眼安全微片激光器，其單脈沖能量亦將進一步提升，在保持足夠緊湊且穩(wěn)定的封裝結構的前提下，來滿足更遠距離的人眼安全測距要求。

微片激光器,被動調Q亞納秒激光器產(chǎn)品詳情請查閱：https://www.sinteclaser.com/laser/microchip-laser.html