模无制冷耦合激光器

成果名称 400um光纤耦合千瓦半导体激光器 单位名称 北京工业大学 联系人 李强 联系邮箱 ncltlq@bjut.edu.cn 成果成熟度 □研发阶段 &radic 已有样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产 合作方式 &radic 技术转让 &radic 技术入股 &radic 合作开发 □其他 成果简介： 　　400&mu m光纤耦合千瓦半导体激光头实物图 　400&mu m光纤耦合千瓦半导体激光器整机实物图 本项目研发的光纤耦合半导体激光器光纤耦合输出功率大于1000W，光束质量好，耦合光纤芯径400&mu m，光纤耦合效率大于96%，总的电光效率42.99%。样机集成激光模块、电源、冷却、控制等为一体，通过触摸屏实现激光器开关、输出功率设置、状态监测显示。激光器可以放置于机柜上方，也可以与机柜分离放置，适应科研应用及工业加工配合机床或者机械手的应用需求。产品化样机配备了用于激光焊接、激光熔覆的加工头，已进行了不锈钢等材料的激光焊接、激光熔覆加工应用。 本项目研发的高光束质量光纤耦合输出半导体激光器，采用标准的半导体阵列（10mm bar），避免采用特殊的半导体激光器所带来的器件成本增加；采用微光学元件对半导体阵列的发光单元重构、变换，单阵列输出功率高，组合阵列数减少，装配工艺相对简单，降低了制作成本；耦合传输光纤采用高功率石英传输光纤，提高激光器的传输效率和可靠性，满足推广应用的要求。 本项目创新点是采用标准的半导体阵列（10mm bar），通过微光学元件将阵列发光单元重构、变换的新方法，极大提高阵列的光束质量。本项目所研制的400&mu m光纤耦合千瓦激光器中，所使用的每一个半导体阵列都采用了该技术提高了光束质量，使得每个空间合束模块能够获得高功率、高光束质量的激光输出。 该项技术不仅可以应用于半导体激光器的直接应用，而且在用于泵浦源应用时，可以提高泵浦激光的功率密度，可以为提高输出激光的功率和光束质量。可以预期的是，利用该项技术，在现有的400&mu m光纤耦合千瓦激光器的技术基础上，通过合束更多的激光波长，获得2000W，甚至更高的激光输出功率，为工业应用提供更高功率的激光源。而且该项技术应用于泵浦固体激光器、光纤激光器等方面，提高了泵浦光的功率密度，也为实现高性能的固体激光器、光纤激光器等提供更好的技术支持。 应用前景： 输出激光光强分布图 半导体激光器与其他传统的材料加工用大功率激光器如 CO2 激光器、YAG 激光器相比，具有体积小巧，结构紧凑，是灯泵 Nd：YAG 激光器的1/3，光电转化效率高，节省能源，无污染，系统稳定性高，寿命长，维护费用低的特点。 目前大功率光纤耦合半导体激光器用于激光熔覆、激光焊接在中国处于启动阶段，国产光纤耦合半导体激光器，只能将标准半导体阵列激光耦合入大芯径光纤（芯径600&mu m以上光纤），由于激光亮度低，只能用于金属材料的激光熔覆。而本项目研制的400um光纤耦合千瓦半导体激光器，由于光束质量好，可直接用于激光熔覆、激光焊接、切割等领域，代替国外产品。 本项目开发的千瓦级光纤耦合半导体激光器除了具有国内外的半导体激光亮度的基础指标外，还具有其它优点：1. 自主开发，具有完全的自主知识产权；2.采用标准半导体阵列，使整体原材料成本降低20%－25%；3.空间合束组合模块后，进行偏振、波长合束的方法组合，使产业化中方便进行模块化工艺设计，适于大批量生产；4.采用微光学元件对光束进行整形，使装配难度及后端光纤耦合难度降低，从而降低生产成本；可附加多种功能，如指示光、光电探测器等，更灵活适应用于各种行业；5.多个半导体阵列模块可灵活组合，可方便为用户提供多种解决方案。 知识产权及项目获奖情况： 本项目开发的千瓦级光纤耦合半导体激光器受到北京市科学技术委员会首都科技条件平台资助，是自主开发产品，具有完全的自主知识产权。 专利情况： （1）大功率固体激光高效率光纤耦合方法，专利号：CN101122659A （2）激光二极管电极连接装置，专利号：CN100527532C

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 等离子体激光器由于其本身的亚波长金属腔而经受着低输出功率和光束发散的困扰。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 近日，里海大学（Lehigh University）的科研人员研制出一套方案，可以显著提高激光的发射效率和改善光束质量，研究人员称之为锁相的方案。通过该应用，可以实现目前为止最高高功率的太赫兹激光输出。他们研制出的激光可以产生迄今为止最高的发射效率，并且适用于任何单波长半导体激光量子级联激光器。 /strong /p p style=" text-align: center" strong img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 470px height: 530px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/13f65aca-5a4c-4d3c-b367-43abbfff42c9.jpg" title=" 截屏2020-07-01 下午5.15.13.png" alt=" 截屏2020-07-01 下午5.15.13.png" width=" 470" height=" 530" / /strong /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 文章截图 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 阵列的金属微腔穿过等离子体波而实现纵向地耦合，从而导致单个光谱模的发射和衍射局限在表面法线方向形成单瓣光束。研究人员将这一方案应用于太赫兹等离子体量子级联激光器（quantum-cascade lasers，QCLs）和测量峰值功率超过2 W的单模 3.3 THz QCL在窄单瓣光束时的发射，条件为运行温度为58K时的紧凑型斯特林制冷机。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 新的等离子体激光器锁相方案，与以往在半导体激光器方面的大量文献中对锁相激光器的研究截然不同，该方法利用电磁辐射的行波作为等离子体光腔锁相的工具。同早期的工作相比较，研究人员展示了在功率上可以有一个数量级的增加和至少30倍高的平均功率强度的单模太赫兹QCLs存在。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 该方法获得的太赫兹激光辐射效率是迄今为止任何单波长量子级联所能达到的最高水平，也是首次报道这种量子级联的辐射效率超过50%。这一高效率可以说超过了研究人员一开始的预期，这也是为什么他们研制的激光器的输出功率会显著的高出以前的激光器的原因。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 这项工作的主要创新在于光学腔的设计，它在某种程度上独立于半导体材料的特性。研究人员认为，在利哈伊大学的利哈伊大学光子学和纳米电子学中心，新获得的电感耦合等离子体（ICP）刻蚀工具在推动这些激光器的性能边界方面发挥了关键作用。这一研究报道可以说是单波长太赫兹激光的范式转变，窄的光束将会得到发展和在将来继续发展，同时研究者认为在将来太赫兹的前途非常光明。 /p

根据欧盟《饮用水中微塑料检测指令》（EU）2024/1441新规，分子振动光谱技术（红外光谱、拉曼光谱）被用于鉴别微塑料的聚合物种类，要求红外或拉曼光谱设备至少能够有效测定20 μm尺寸的微小样品。岛津推出的AIRsight红外拉曼显微镜，采用先进的红外拉曼光谱耦合技术，以其创新性设计、高度自动化操作和简洁的工作流程，实现了对微塑料的宽尺寸范围、原位及多光谱检测，为微塑料的精准检测提供了多维度的分析视角。本文将详细介绍AIRsight红外拉曼显微镜如何有效支持微塑料的检测工作，确保饮用水安全，促进环境保护和人类健康。1微塑料的高度异质性实际环境基质中的微塑料具有高度异质性，来源多样，成分复杂，理化特性各异，尺寸分布广泛。它们形状多样，可能包含多种聚合物和有机无机添加剂。在自然环境中，塑料会在光、热和生物作用下老化降解，影响其物理化学特性。这种多样性增加了微塑料检测、识别和定量的复杂性。2微塑料的分子振动光谱分析：红外与拉曼光谱的对比评估基于颗粒的分子振动光谱法（红外光谱法和拉曼光谱法）可无损快速地识别微塑料的形态和化学信息，是目前广泛用于微塑料鉴定的非破坏性化学技术。红外吸收光谱和拉曼散射光谱基于不同的原理，适合的样品有所不同，在环境基质中微塑料的识别和定量分析方面各有优势和局限性，这些与粒径、波数范围、选择定则等有关。因此，在分析和解释光谱数据时，需要综合考虑两种方法之间的重要差异，以确保选择适合的分析技术。表1：红外和拉曼分析技术的特点和获得的信息3 AIRsight红外拉曼一体显微镜，助力宽尺寸范围、原位、多光谱的微塑料检测显微红外（μ-FTIR）和显微拉曼（μ-Raman）分析耦合的多光谱方法检测微塑料，可以克服单光谱方法的粒径限制、荧光干扰、波数范围限制、选择定则决定的响应弱等问题，提升定性分析的准确度，更能应对实际环境基质中复杂样品的测试。岛津AIRsight红外拉曼一体显微镜，能够在不移动样品的情况下，使用同一显微镜，同一个软件，对样品的同一位置（微小区域）快速获得互补的红外和拉曼的多维度光谱信息，摆脱繁琐的样品转移、标记、定位工作，助力宽尺寸范围、原位、多光谱的微塑料检测。岛津AIRsight红外拉曼显微镜，除了红外拉曼合二为一之外，还有很多自动化、全功能的技术加持。它延续了岛津之前红外显微镜的全自动物镜转台的功能，可以同时安装多个物镜，如红外物镜、拉曼物镜，岛津特色的大视野相机镜头等。在显微红外模式下，可覆盖中红外全波段，透射、反射、ATR三项全能。在显微拉曼模式下，有多个激光波长可以自动切换。★ 同一位置的多光谱检测通过将红外光谱和拉曼光谱两种技术集成到一台设备中，实现了无缝切换的工作流，让需要通过多种光谱技术进行异物分析的用户摆脱繁琐的样品转移、标记、定位工作，工作效率大幅提升。从而成功推出了一种新概念的高通用性分析装置，能够满足异物分析、微塑料分析以及其它微小样品分析/样品微区分析等需求。表2：AIRsight红外拉曼显微镜的典型功能★ 透射反射ATR三项全能在显微红外模式下，AIRsight提供了三种检测模式来进行微塑料分析：透射、反射和衰减全反射（ATR），每种模式均有其独特的优势和适用场景。在进行材料分析时，应根据样品的物理特性（厚度、脆性等）、化学组成以及分析目的（定性或定量、样品表面或内部特性分析等）来选择合适的显微红外模式。在特定情况下，可能需要综合运用多种模式，以获得更为全面的分析结果。表3：显微红外的测量模式★ FTIR光谱范围宽、适用性强某些波段受限的红外光谱技术（如基于QCL红外激光器的红外成像技术），由于其固有的可用波段范围窄的限制，可能无法捕捉到某些关键的特征吸收峰信息（包括特征峰的位置、形状和强度），导致微塑料光谱图的误判，从而影响成分鉴定的准确性。相比之下，傅里叶变换红外光谱（FTIR）具有光谱范围宽、适用性强的优点，能够覆盖指纹区、静默区、C-H伸缩振动在内的高波数波段，特别适合实际微塑料样品的定性分析。岛津的AIRsight红外拉曼显微镜集成了傅里叶变换显微红外（μ-FTIR）和显微拉曼（μ-Raman）技术，不仅能提供指纹区的关键信息，还能够捕捉到C-H伸缩振动等高波数区域的信号。此外，该显微镜结合了傅里叶变换显微红外和显微拉曼的优势，能够更全面地覆盖低波数区域，从而为有机物、无机物（例如塑料中的无机添加剂）以及有机无机混合物的分析提供了强有力的支持。表4：常见部分聚合物的红外谱带位置上表信息参考《GB/T 40146-2021化妆品中塑料微珠的测定》和《T/LNEMA 002-2023城市河道中微塑料的测定 傅里叶变换微红外光谱法》。4岛津特色AIRsight红外拉曼一体机的特色应用案例★ 宽尺寸范围微塑料的识别红外拉曼*目标区域太小，无法用红外显微镜有效测定*✔ 可以在无需移动样品的情况下，结合显微红外和显微拉曼，实现更宽尺寸范围样品检测。✔ 塑料老化谱库提升了微塑料分析（光热老化塑料定性分析）的定性准确度。★ 宽波段的测试范围红外拉曼✔ AIRsight显微红外部分采用FTIR的设计方式，除了标配的液氮制冷高灵敏检测器之外，还可以同时安装一个无需液氮的DLATGS检测器，来实现完全覆盖4000 ~ 400 cm-1整个中红外区间。✔ AIRsight结合了傅里叶变换显微红外和显微拉曼的优势，能够更全面地覆盖低波数区域，助力有机物、无机物（例如塑料中的无机添加剂）以及有机无机混合物的分析。★ 显微红外的测试模式（透射/反射/ATR）选择红外✔ 如样品较厚，在进行显微透射测试前，需用金刚石压池将粒子压薄，可提高检测的准确性；或选择其它模式进行测试。✔ 显微ATR可以测量和分析黑色或深色塑料。★ 紫外降解塑料评价中拉曼激发波长的选择拉曼*选择合适的激光波长，以避免荧光干扰*✔ AIRsight红外拉曼显微镜标配532 nm和785 nm两个激光器，可以选择最适合样品的激光器。✔ 785 nm 激光能够有效分析受荧光干扰的样品。✔ 可设定光漂白时间以降低荧光干扰。自1875年成立以来，岛津秉承“以科学技术向社会做贡献”的理念，致力于实现“为了人类和地球的健康”的愿景。我们期待与您携手利用先进的分析技术共同守护水质安全，共创绿色未来！本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。