激光器件的起源與發(fā)展
光纖通信所需的光源，應(yīng)該是可高速調(diào)制的光源，以便載送大容量信息。如激光器和發(fā)光管。所謂“調(diào)制”就是按照所要傳輸?shù)男畔?lái)改變光的強(qiáng)度等，以承載信息。
1960年邁曼（Maimen）發(fā)明紅寶石激光器。激光（Laser）與通常的光線的不同之處主要在于激光的光頻非常單純，具有線狀譜線，光學(xué)中稱為相干光，最適合做光纖通信的光源。而通常的光線的光頻十分雜亂，它包含許多波長(zhǎng)。而通常的光線的光頻十分雜亂，它包含許多波長(zhǎng)。相干光的特點(diǎn)是光能集中，是發(fā)散角很小，近似平行光。在紅寶石激光器發(fā)明后，各色各樣的激光器相繼誕生： 有氣體激光器，如氦氖激光器；有固體激光器，如YAG銥鋁石榴石激光器；有化學(xué)激光器；染料激光器等。其中半導(dǎo)體激光器最適合作光纖通信的光源，它的體積小，效率高，它的波長(zhǎng)同光纖的低損失窗口相適合。
但半導(dǎo)體激光器的制造工藝十分復(fù)雜，需要在極高純度無(wú)缺陷的襯底材料上外延生長(zhǎng)5層摻雜的半導(dǎo)體，再在上面光刻微米尺寸的光波導(dǎo)，其難度與光纖相比，有過(guò)之而無(wú)不及。于70年代末，室溫連續(xù)工作長(zhǎng)壽命的半導(dǎo)體激光器終于制成。1976年，在美國(guó)亞特蘭大至華盛頓建立了世界上第一個(gè)實(shí)用化的光纖通信線路。此時(shí)半導(dǎo)體激光器尚未過(guò)關(guān)，光源是采用半導(dǎo)體發(fā)光管。在80年代初，單模光纖和激光器已經(jīng)成熟，從此光纖通信大容量的優(yōu)越性逐步得到發(fā)揮。
半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光，譜線很純，能量集中，光束很細(xì)，能高效率地射人芯直徑僅8微米的單模光纖中。當(dāng)今的高速光纖通信系統(tǒng)部采用半導(dǎo)體激光器做光源。
淺談激光器件的起源與發(fā)展應(yīng)用
半導(dǎo)體激光器發(fā)光的原理
最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由5層半導(dǎo)體構(gòu)成，中間的有源層摻有活性物質(zhì)。在兩電極上注入電流后，使有源層里活性物質(zhì)的原子中的電子由低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)。這些高能態(tài)的電子從高能態(tài)還原為低能態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)出光，這稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射的光并不很純，即它包含的譜線較寬。如果自發(fā)輻射的光很強(qiáng)，這些光在半導(dǎo)體兩鏡面內(nèi)來(lái)回反射。在此過(guò)程中，對(duì)于相位一致的各光能，能量疊加而越來(lái)越大；對(duì)于相位不一致的各光能，能量互相削弱而越來(lái)越小。能量會(huì)按照半導(dǎo)體兩鏡面構(gòu)成的腔體轉(zhuǎn)換為某特定波長(zhǎng)的光能，當(dāng)它發(fā)生振蕩時(shí)使形成激光。激光是由所謂受激輻射發(fā)生的。半導(dǎo)體的鏡面是光潔和半透明的，激光可從鏡面輸出。限制層的作用是使光能集中在有源層內(nèi)、以提高效率。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光的光波長(zhǎng)主要取決于半導(dǎo)體的材料和鏡面的距離。
激光器的應(yīng)用
激光器以其卓越的性能和低廉的價(jià)格，在光纖通信、光纖傳感、工業(yè)加工、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域取得了日益廣泛的應(yīng)用。
在通信方面，激光器提供的1.30微米和1.55微米波段的激光是通信的兩個(gè)低損耗窗口。激光器不僅能產(chǎn)生連續(xù)激光輸出，而且能實(shí)現(xiàn)ps－fs超短光脈沖的產(chǎn)生，在DWDM系統(tǒng)有巨大的潛在應(yīng)用。激光器使通信系統(tǒng)有更高的傳輸速度，更遠(yuǎn)的傳輸距離，起著不可替代的作用。
在傳感方面，激光器用于相位型、波長(zhǎng)型、光強(qiáng)型和偏振態(tài)型光纖傳感中。在石油或天然氣井中可測(cè)量溫度和壓力；在道路、橋梁和船殼中可測(cè)量應(yīng)變；在飛機(jī)機(jī)翼中進(jìn)行飛行健康監(jiān)控；還能應(yīng)用于光纖水聽(tīng)器和電流傳感中。
在工業(yè)方面，激光器已經(jīng)在金屬和非金屬材料的加工與處理、激光雕刻、激光產(chǎn)品打標(biāo)、激光焊接、焊縫清理、精密打孔和激光圖形藝術(shù)成像等方面很有作為。
在醫(yī)療方面，激光器因其體積小、光纖柔軟性好，光束質(zhì)量好，且不需冷卻系統(tǒng)，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。光纖激光器使能縮短組織脫落和光致凝結(jié)的手術(shù)時(shí)間：同時(shí)使得眼科疾病如角膜成形、近視、遠(yuǎn)視等的治愈成功率大大提高。還在整容、切除腫瘤、治癌、皮膚病方面扮演重要的角色。
在軍事方面，高功率激光器以其高亮度，小照射面積，體積小而倍受親睞。作為武器可以精確的瞄準(zhǔn)打擊并摧毀目標(biāo)，另外在定位、測(cè)距、遙感、跟蹤制導(dǎo)、激光雷達(dá)系統(tǒng)傳感技術(shù)和空間技術(shù)等方面有著重要意義。
激光器的特點(diǎn)
光纖激光器近幾年倍受關(guān)注，成為大家研究的重點(diǎn)，這是因?yàn)樗缬衅渌す馄魉鶡o(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：
（1） 光束質(zhì)量好，具有非常好的單色性、方向性和穩(wěn)定性；
（2） 光纖既是激光增益介質(zhì)又是光的導(dǎo)波介質(zhì)，因此泵浦光的禍合效率相當(dāng)?shù)母撸w芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，加之光纖激光器能方便地延長(zhǎng)增益長(zhǎng)度，以便使泵浦光充分吸收，而使總的光一光轉(zhuǎn)換效率超過(guò)60％；
（3） 基質(zhì)材料是Si02，具有極好的溫度穩(wěn)定性；而光纖的圓柱形結(jié)構(gòu)具有較高的表面積／體積比，散熱快，環(huán)境溫度允許在－20－＋7000C，它的工作物質(zhì)的熱負(fù)荷相當(dāng)小，無(wú)需冷卻系統(tǒng)，能產(chǎn)生高亮度和高峰值功率，己達(dá)140mw／cm2；
（4） 體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，可設(shè)計(jì)得相當(dāng)小巧靈活，使用方便，易于系統(tǒng)集成，性價(jià)比高；
（5） 作為激光介質(zhì)的摻雜光纖，摻雜稀土離子擁有極為豐富的能級(jí)結(jié)構(gòu)，能級(jí)躍遷覆蓋了從紫外到紅外很寬的波段，可實(shí)現(xiàn)激光振蕩的躍遷能級(jí)很多?？稍诤軐捁庾V范圍內(nèi)（455－3500nm）設(shè)計(jì)運(yùn)行，加之玻璃光纖的熒光譜相當(dāng)寬，插入適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)選擇器即可得到可調(diào)諧光纖激光器，調(diào)諧范圍己達(dá)80nm；
（6） 硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，因此可以制作出高精度，低損耗的光纖，大大降低激光器的成本。
（7） 與常規(guī)傳輸光纖在材料和幾何尺寸上具有自然的通融性和兼容性，因此易于進(jìn)行光纖集成，禍合損耗低，使用方便。
（8） 可在惡劣的環(huán)境條件下工作，如高沖擊、高震動(dòng)、高溫度等。
光纖通信所需的光源，應(yīng)該是可高速調(diào)制的光源，以便載送大容量信息。如激光器和發(fā)光管。所謂“調(diào)制”就是按照所要傳輸?shù)男畔?lái)改變光的強(qiáng)度等，以承載信息。
1960年邁曼（Maimen）發(fā)明紅寶石激光器。激光（Laser）與通常的光線的不同之處主要在于激光的光頻非常單純，具有線狀譜線，光學(xué)中稱為相干光，最適合做光纖通信的光源。而通常的光線的光頻十分雜亂，它包含許多波長(zhǎng)。而通常的光線的光頻十分雜亂，它包含許多波長(zhǎng)。相干光的特點(diǎn)是光能集中，是發(fā)散角很小，近似平行光。在紅寶石激光器發(fā)明后，各色各樣的激光器相繼誕生： 有氣體激光器，如氦氖激光器；有固體激光器，如YAG銥鋁石榴石激光器；有化學(xué)激光器；染料激光器等。其中半導(dǎo)體激光器最適合作光纖通信的光源，它的體積小，效率高，它的波長(zhǎng)同光纖的低損失窗口相適合。
但半導(dǎo)體激光器的制造工藝十分復(fù)雜，需要在極高純度無(wú)缺陷的襯底材料上外延生長(zhǎng)5層摻雜的半導(dǎo)體，再在上面光刻微米尺寸的光波導(dǎo)，其難度與光纖相比，有過(guò)之而無(wú)不及。于70年代末，室溫連續(xù)工作長(zhǎng)壽命的半導(dǎo)體激光器終于制成。1976年，在美國(guó)亞特蘭大至華盛頓建立了世界上第一個(gè)實(shí)用化的光纖通信線路。此時(shí)半導(dǎo)體激光器尚未過(guò)關(guān)，光源是采用半導(dǎo)體發(fā)光管。在80年代初，單模光纖和激光器已經(jīng)成熟，從此光纖通信大容量的優(yōu)越性逐步得到發(fā)揮。
半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光，譜線很純，能量集中，光束很細(xì)，能高效率地射人芯直徑僅8微米的單模光纖中。當(dāng)今的高速光纖通信系統(tǒng)部采用半導(dǎo)體激光器做光源。
淺談激光器件的起源與發(fā)展應(yīng)用
半導(dǎo)體激光器發(fā)光的原理
最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由5層半導(dǎo)體構(gòu)成，中間的有源層摻有活性物質(zhì)。在兩電極上注入電流后，使有源層里活性物質(zhì)的原子中的電子由低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)。這些高能態(tài)的電子從高能態(tài)還原為低能態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)出光，這稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射的光并不很純，即它包含的譜線較寬。如果自發(fā)輻射的光很強(qiáng)，這些光在半導(dǎo)體兩鏡面內(nèi)來(lái)回反射。在此過(guò)程中，對(duì)于相位一致的各光能，能量疊加而越來(lái)越大；對(duì)于相位不一致的各光能，能量互相削弱而越來(lái)越小。能量會(huì)按照半導(dǎo)體兩鏡面構(gòu)成的腔體轉(zhuǎn)換為某特定波長(zhǎng)的光能，當(dāng)它發(fā)生振蕩時(shí)使形成激光。激光是由所謂受激輻射發(fā)生的。半導(dǎo)體的鏡面是光潔和半透明的，激光可從鏡面輸出。限制層的作用是使光能集中在有源層內(nèi)、以提高效率。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光的光波長(zhǎng)主要取決于半導(dǎo)體的材料和鏡面的距離。
激光器的應(yīng)用
激光器以其卓越的性能和低廉的價(jià)格，在光纖通信、光纖傳感、工業(yè)加工、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域取得了日益廣泛的應(yīng)用。
在通信方面，激光器提供的1.30微米和1.55微米波段的激光是通信的兩個(gè)低損耗窗口。激光器不僅能產(chǎn)生連續(xù)激光輸出，而且能實(shí)現(xiàn)ps－fs超短光脈沖的產(chǎn)生，在DWDM系統(tǒng)有巨大的潛在應(yīng)用。激光器使通信系統(tǒng)有更高的傳輸速度，更遠(yuǎn)的傳輸距離，起著不可替代的作用。
在傳感方面，激光器用于相位型、波長(zhǎng)型、光強(qiáng)型和偏振態(tài)型光纖傳感中。在石油或天然氣井中可測(cè)量溫度和壓力；在道路、橋梁和船殼中可測(cè)量應(yīng)變；在飛機(jī)機(jī)翼中進(jìn)行飛行健康監(jiān)控；還能應(yīng)用于光纖水聽(tīng)器和電流傳感中。
在工業(yè)方面，激光器已經(jīng)在金屬和非金屬材料的加工與處理、激光雕刻、激光產(chǎn)品打標(biāo)、激光焊接、焊縫清理、精密打孔和激光圖形藝術(shù)成像等方面很有作為。
在醫(yī)療方面，激光器因其體積小、光纖柔軟性好，光束質(zhì)量好，且不需冷卻系統(tǒng)，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。光纖激光器使能縮短組織脫落和光致凝結(jié)的手術(shù)時(shí)間：同時(shí)使得眼科疾病如角膜成形、近視、遠(yuǎn)視等的治愈成功率大大提高。還在整容、切除腫瘤、治癌、皮膚病方面扮演重要的角色。
在軍事方面，高功率激光器以其高亮度，小照射面積，體積小而倍受親睞。作為武器可以精確的瞄準(zhǔn)打擊并摧毀目標(biāo)，另外在定位、測(cè)距、遙感、跟蹤制導(dǎo)、激光雷達(dá)系統(tǒng)傳感技術(shù)和空間技術(shù)等方面有著重要意義。
激光器的特點(diǎn)
光纖激光器近幾年倍受關(guān)注，成為大家研究的重點(diǎn)，這是因?yàn)樗缬衅渌す馄魉鶡o(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：
（1） 光束質(zhì)量好，具有非常好的單色性、方向性和穩(wěn)定性；
（2） 光纖既是激光增益介質(zhì)又是光的導(dǎo)波介質(zhì)，因此泵浦光的禍合效率相當(dāng)?shù)母撸w芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，加之光纖激光器能方便地延長(zhǎng)增益長(zhǎng)度，以便使泵浦光充分吸收，而使總的光一光轉(zhuǎn)換效率超過(guò)60％；
（3） 基質(zhì)材料是Si02，具有極好的溫度穩(wěn)定性；而光纖的圓柱形結(jié)構(gòu)具有較高的表面積／體積比，散熱快，環(huán)境溫度允許在－20－＋7000C，它的工作物質(zhì)的熱負(fù)荷相當(dāng)小，無(wú)需冷卻系統(tǒng)，能產(chǎn)生高亮度和高峰值功率，己達(dá)140mw／cm2；
（4） 體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，可設(shè)計(jì)得相當(dāng)小巧靈活，使用方便，易于系統(tǒng)集成，性價(jià)比高；
（5） 作為激光介質(zhì)的摻雜光纖，摻雜稀土離子擁有極為豐富的能級(jí)結(jié)構(gòu)，能級(jí)躍遷覆蓋了從紫外到紅外很寬的波段，可實(shí)現(xiàn)激光振蕩的躍遷能級(jí)很多?？稍诤軐捁庾V范圍內(nèi)（455－3500nm）設(shè)計(jì)運(yùn)行，加之玻璃光纖的熒光譜相當(dāng)寬，插入適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)選擇器即可得到可調(diào)諧光纖激光器，調(diào)諧范圍己達(dá)80nm；
（6） 硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，因此可以制作出高精度，低損耗的光纖，大大降低激光器的成本。
（7） 與常規(guī)傳輸光纖在材料和幾何尺寸上具有自然的通融性和兼容性，因此易于進(jìn)行光纖集成，禍合損耗低，使用方便。
（8） 可在惡劣的環(huán)境條件下工作，如高沖擊、高震動(dòng)、高溫度等。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門(mén)資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
