Adolf Giesen博士/教授的大名在激光界定是如雷貫耳的,因為他可以算得上是碟片激光器的鼻祖了,1986年到2007年,他主管德國斯圖加特大學光束工具研究院(IFSW)激光及激光光學系,在那期間確立了碟片激光器的基本原理。2002年他榮獲Berthold Leibinger創新獎,2004年榮獲蘭克獎,今年還非常榮幸地獲得了Charles Hard Towns獎。
不過,在1991年開發碟片激光器之初,Adolf Giesen博士對于碟片激光器的想象可以說是天馬行空的。他曾預言可以讓激光達到宇宙星際,以此來清除地球軌道上的太空碎片。多年以后的事實證明,這是完全可能的。德國航空航天中心(DLR)已經開始使用高能短脈沖激光器和超短脈沖激光來檢測太空垃圾。通過激光,可以精準地檢測到它們的軌跡,并且精確到米。
“如果要汽化這些碎片,那就需要更大的激光能量。”Adolf Giesen博士在接受采訪時表示,汽化每個碎片表面,需要數千焦耳才能實現,通過使用具有“推動”效果的激光消融,減慢碎片的速度并最終使其在底層大氣中燃燒即可。這個想法聽起來有點遙遠,但其實理念已經非常成熟,不僅如此,激光器也已就緒,碟片激光器顯然是最佳選擇。
強大的碟片激光器
26年前,Adolf Giesen博士與杰出的理論物理學家Klaus Wittig先生、Andreas Voss先生以及 Uwe Brauch先生共同合作設計了碟片激光器最初的模型來佐證他的想法是有望實現的。當時,他們就能預見,碟片激光器的能量絕對不會僅限于千瓦級。憑借著這樣的強大信念,他執著地對激光器的輸出功率進行研究。之后的一場固體激光會議,成為Adolf Giesen博士開發碟片激光器的轉折點。這場會議的核心話題是激光激活介質Yb:YAG,與會者都對這個極具前景的材料產生濃厚的興趣。簡單的說,只要找到在激光產生時能充分冷卻材料的方法,就可以用于打造高功率激光光源。但在當時,這個問題還沒有理想的解決方案,而這個疑問也一直在Adolf Giesen博士的腦海中久久揮之不去。經過深思熟慮,碟片激光器的理念應用而生。
Adolf Giesen博士認為,Yb:YAG碟片足夠薄,只有數百微米厚,表面積和體積比便于整體冷卻。溫度梯度僅呈軸向變化,最大程度地降低了熱透鏡效應。激光介質在由拋物面鏡和偏轉系統組成的多次往返系統中進行泵浦。泵浦光束通過鏡子重新聚焦在激光晶體中。碟片背部的高反射鍍層會反射所有未吸收的輻射。重復足夠的次數就能獲得高效吸收泵浦光,泵浦源甚至不需要特別明亮,碟片激光器就能呈現優質光束。同時,Adolf Giesen博士團隊還成功解決了碟片激光器連接散熱器的問題。在德國聯邦教育和研究部的支持下,2000年通快首次生產出了碟片激光器,成為行業里生產制造碟片激光器最成功的典范。
碟片激光器已經成為了一種成熟穩定的生產工具,脈沖能量可達千焦耳級。對于如此高功率的激光器,冷卻問題就更加備受關注。碟片激光器在實際操作中的熱變形比傳統激光器要少約 100 倍。但即便這樣仍然有很大的優化空間,很多研發團隊仍在不斷地探究中,比如美國就刊登過有關液氮冷卻激光的文章。經過長期的證明,-30 到 -100 攝氏度的溫度可以帶來大幅改善,但是很難想象此類冷卻系統能用于工業設備。
1982 年有專家曾表示說,工業激光器的使用無需超過 500 瓦,但實際上這個結論是基于通快與德國航空航天中心合作開發的 CO2 激光器上。事實上,Adolf Giesen博士團隊所開發的激光器輸出功率目標是 1,000瓦。雖然最大功率 500 瓦已經能輕易滿足當時的工業應用,但通快秉持創新發展、高瞻遠矚的理念,給予Adolf Giesen博士團隊源源不斷的支持。如今,6,000 瓦的激光器幾乎已成為工業應用的標準。通快根據客戶的實際生產需求,萬瓦級的激光器也不在話下。
如今,碟片激光器的開發與之前的激光器相比已是大相徑庭,需要完全轉換思維,投入巨大的人力、物力和財力。對于通快而言,要從中獲得回報必須具備強大的實力,因為碟片激光器的開發確實需要巨大的投資。值得驕傲的是,碟片激光器的市場潛力非常巨大,迄今為止,通快全球碟片激光器的裝機量已經超過10,000臺,這就是最好的佐證。