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新材料领域:高性能2.79微米Er,Pr:YSGG系列晶体元件及激光器产业化

文章来源: 发布时间: 2018-08-13

  所处阶段: 成熟待产业化 

  成果来源:安徽光学紧密机械研究所 

  必要性及需求分析 

  本项目产品为高质量的Er,Pr:YSGG系列激光晶体元件及高性能2.79μm激光器,晶体元件主要面向自身的需要和其它激光器生产企业,2.79μm激光器可用于牙科、眼科及激光美容手术,还可用于高校、科研院所的生物医学实验及光参量振荡的泵浦源,未来具有广阔的市场前景。主要客户包括国内的激光医疗设备制造商,各大专院校及科研院所等,如我们目前与解放军军事医学科学院、解放军电子工程学院、哈尔滨工业大学、华南师范大学正在开展应用方面的合作。当前,2.79μm全固态激光器的主要市场被国外所垄断,国内的激光应用正处于上升期,产品开发正处于起步期,本项目产品市场前景广阔。对前期市场主要以晶体元件为主,然后通过开发新产品,以高的性价比将激光整机销往全国,争取挺进国外市场。 

  合肥研究院在2.79μmEr:YSGG系列激光晶体及激光性能研究方面取得一系列的研究成果。通过掺入少量与Er3+的激光下能级位置相接近的退激活离子Pr3+,加快了Er3+的激光下能级粒子抽空速率,减小了下能级寿命,激光阈值得到降低,转换效率得到明显提高,并且晶体还可以在更高的重复频率下工作。采用LD泵浦有利于2.79μm激光器的小型化,利于便携,拓展产品的应用范围,同时我们还将通过掺Cr等敏化Er,Pr:YSGG,使晶体即使在闪光灯泵浦的条件下也有较高的效率,所以Er,Pr:YSGG高效系列激光晶体,既可LD泵浦也可闪光灯泵浦,有更好的市场适应能力。中红外2.79μm激光器在应用时常常需要经过调Q的激光,在前期工作中,已针对该类晶体的调Q技术进行了研究,掌握了该类晶体的激光调Q关键技术,使激光器的脉冲宽度和峰值功率都能满足多种应用的需要,使其应用领域大大扩展。 

  二、目标及主要任务 

  )目标 

  本项目产品为高性能Er,Pr:YSGG系列激光晶体元件及中红外2.79μm激光器,应用于生物医学、非线性光学、国防军工、科学研究等领域。目标是实现Er,Pr:YSGG系列激光晶体元件的批量化生产,研制实用化2.79μm激光器,实施成果转移与产业化。本产品具有以下特点: 

  晶体元件具有低阈值、高增益、高效率、低损耗、可在高重复频率下工作等特性。 

  采用的LD泵浦有利于2.79μm激光器的小型化,利于便携,拓展产品的应用范围,通过掺Cr等敏化Er,Pr:YSGG,晶体即使在闪光灯泵浦的条件下也有较高的效率,所以Er,Pr:YSGG高效系列激光晶体,既可LD泵浦也可闪光灯泵浦,有更好的市场适应能力。 

  采用掌握的调Q关键技术,能获得高能量、高峰值功率、窄脉宽的激光。 

  Er,Pr:YSGG晶体已获国家发明专利授权,因此本产品具有自主知识产权。 

  (二)主要任务 

  实现Er,Pr:YSGG系列激光晶体元件的批量化生产,满足自身和其它激光器生产企业的需要。 

  研制出实用化高性能中红外2.79μm激光器样机,具有良好的长期运行稳定性和重复性,满足生物医学、非线性光学、国防军工、科学研究等领域应用的需要。 

  开展示范应用,对Er,Pr:YSGG系列激光晶体元件及2.79μm激光器进行性能评估与验证。针对用户的意见及需要,不断改进,逐步提高产品性能。 

  三、现有工作基础 

  1)研制出了高性能Er,Pr:YSGG系列激光晶体及元件  

  在国家自然科学基金及国家高技术等项目支持下,我们研制出了高性能Er,Pr:YSGG系列激光晶体及元件,并已获得国家发明专利的授权。 

  完成了Er,Pr:YSGG晶体中激活和退激活离子浓度的优化,有效降低了激光阈值,获得了较高的转换效率,晶体能在较高的重复频率下工作,相关文章发表在Optics LettersOptics Express上。 

  完成了30×120mm高质量Er,Pr:YSGG系列晶体生长及(3-6)×(80-110)mm高质量Er,Pr:YSGG系列晶体元件制备等相关工艺流程的固化,晶体元件的光学均匀性达到了10-6,消光比≥30dB,达到了商品化的水平。 

  通过长期的实验探索,已经形成了晶体生长、退火,晶体元件设计、加工、质量检测等一系列完备的工艺流程,整个工艺流程具有节能、高效、低成本的特点,为规模化生产奠定了坚实基础; 

  2)获得了高性能掺Er3+含钪石榴石晶体2.79μm激光输出 

  实现了高效LD泵浦的2.79μm连续及脉冲激光,相关结果发表在Optics Express上。采用损伤阈值高的新型电光调Q元件,获得能量216mJ、脉宽16ns、峰值功率15MW2.79μm中红外激光,结果发表在Optics Letters上。 

  在掺入Pr3+作为退激活离子的晶体中,发现可以提高激光工作时的重复频率,结果也发表在近期的Optics Letters上,如图3所示。  

  四、预期经济和社会效益 

  Er,Pr:YSGG系列晶体是“材料-激光器件-工业应用”中的最上游,研制和生产高均匀性、高性能的Er,Pr:YSGG系列晶体元件,将为发展高性能中红外固体激光技术提供核心工作物质,研制窄脉冲、高峰值功率的中红外激光器,将改变我国现有的中红外激光器主要依赖进口的现状,形成属于我国自己的高性能中红外激光器,带动其它相关企业的快速发展。 

  根据激光行业协会统计,中国国内2013年的2.79μm中红外激光市场销售额为0.28亿元,2014年估计为0.35亿元,以30%的年平均增速率计算,预计2018年,市场销售额将达到0.85亿元。在美国,根据美国调研机构BCC公司的统计,20132.79μm中红外达到4.7亿元,2014年将约为5.2亿元,按12%的年平均增长率计算,2018年预计将达到8.2亿元。由于激光晶体及器件主要生产国为美国、中国和德国,国内国际市场需求的增长将给国内2.79μm中红外系列激光晶体及激光器的市场拓展带来良好的机会。由于国内这方面的产业化刚起步,因而在未来国内及国际2.79μm中红外系列晶体及激光器市场仍具有巨大的市场空间。 

  五、实施方式(模式) 

  我们项目产品开发的策略是:以短线(晶体的研发生产,通过自己生长坯体、加工元件及激光器开发的方式)求生存。以中线(通过对晶体生长工艺的再改进,提高产能降低能耗,节约成本,发展自身材料及新器件产品的生产制造能力)求壮大;以长线(以股份的形式吸引资金扩大生产)求发展。 

  项目产品的营销策略是:实施品牌创建和大规模低成本扩张战略,在全国范围内建立健全一套完整、有效的商务营销体系,营销工作由单一功能向多功能转变,形成产品宣传、销售支持、报价竞标、签订商务合同、售后服务、货款回笼等全方位多功能的营销机制,提高产品的产销率。 

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