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)男畔砀淖児獾膹姸鹊?，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。而通常的光線的光頻十分雜亂，它包含許多波長。相干光的特點是光能集中，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，需要在極高純度無缺陷的襯底材料上外延生長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，有過之而無不及。于70年代末，室溫連續(xù)工作長壽命的半導(dǎo)體激光器終于制成。1976年，在美國亞特蘭大至華盛頓建立了世界上第一個實用化的光纖通信線路。此時半導(dǎo)體激光器尚未過關(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，能高效率地射人芯直徑僅8微米的單模光纖中。當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)時會發(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，這些光在半導(dǎo)體兩鏡面內(nèi)來回反射。在此過程中，對于相位一致的各光能，能量疊加而越來越大；對于相位不一致的各光能，能量互相削弱而越來越小。能量會按照半導(dǎo)體兩鏡面構(gòu)成的腔體轉(zhuǎn)換為某特定波長的光能，當它發(fā)生振蕩時使形成激光。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、波長型、光強型和偏振態(tài)型光纖傳感中。在石油或天然氣井中可測量溫度和壓力；在道路、橋梁和船殼中可測量應(yīng)變；在飛機機翼中進行飛行健康監(jiān)控；還能應(yīng)用于光纖水聽器和電流傳感中。
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、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)時間：同時使得眼科疾病如角膜成形、近視、遠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打擊并摧毀目標，另外在定位、測距、遙感、跟蹤制導(dǎo)、激光雷達系統(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
光纖激光器近幾年倍受關(guān)注，成為大家研究的重點，這是因為它早有其它激光器所無法比擬的優(yōu)點，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?shù)母?，纖芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，加之光纖激光器能方便地延長增益長度，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)的熱負荷相當小，無需冷卻系統(tǒng)，能產(chǎn)生高亮度和高峰值功率，己達140mw／cm2；
（4） 體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，可設(shè)計得相當小巧靈活，使用方便，易于系統(tǒng)集成，性價比高；
（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結(jié)構(gòu)，能級躍遷覆蓋了從紫外到紅外很寬的波段，可實現(xiàn)激光振蕩的躍遷能級很多?？稍诤軐捁庾V范圍內(nèi)（455－3500nm）設(shè)計運行，加之玻璃光纖的熒光譜相當寬，插入適當?shù)牟ㄩL選擇器即可得到可調(diào)諧光纖激光器，調(diào)諧范圍己達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、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)男畔砀淖児獾膹姸鹊?，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。而通常的光線的光頻十分雜亂，它包含許多波長。相干光的特點是光能集中，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，需要在極高純度無缺陷的襯底材料上外延生長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，有過之而無不及。于70年代末，室溫連續(xù)工作長壽命的半導(dǎo)體激光器終于制成。1976年，在美國亞特蘭大至華盛頓建立了世界上第一個實用化的光纖通信線路。此時半導(dǎo)體激光器尚未過關(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，能高效率地射人芯直徑僅8微米的單模光纖中。當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)時會發(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，這些光在半導(dǎo)體兩鏡面內(nèi)來回反射。在此過程中，對于相位一致的各光能，能量疊加而越來越大；對于相位不一致的各光能，能量互相削弱而越來越小。能量會按照半導(dǎo)體兩鏡面構(gòu)成的腔體轉(zhuǎn)換為某特定波長的光能，當它發(fā)生振蕩時使形成激光。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、波長型、光強型和偏振態(tài)型光纖傳感中。在石油或天然氣井中可測量溫度和壓力；在道路、橋梁和船殼中可測量應(yīng)變；在飛機機翼中進行飛行健康監(jiān)控；還能應(yīng)用于光纖水聽器和電流傳感中。
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、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)時間：同時使得眼科疾病如角膜成形、近視、遠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打擊并摧毀目標，另外在定位、測距、遙感、跟蹤制導(dǎo)、激光雷達系統(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
光纖激光器近幾年倍受關(guān)注，成為大家研究的重點，這是因為它早有其它激光器所無法比擬的優(yōu)點，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?shù)母?，纖芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，加之光纖激光器能方便地延長增益長度，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)的熱負荷相當小，無需冷卻系統(tǒng)，能產(chǎn)生高亮度和高峰值功率，己達140mw／cm2；
（4） 體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，可設(shè)計得相當小巧靈活，使用方便，易于系統(tǒng)集成，性價比高；
（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結(jié)構(gòu)，能級躍遷覆蓋了從紫外到紅外很寬的波段，可實現(xiàn)激光振蕩的躍遷能級很多?？稍诤軐捁庾V范圍內(nèi)（455－3500nm）設(shè)計運行，加之玻璃光纖的熒光譜相當寬，插入適當?shù)牟ㄩL選擇器即可得到可調(diào)諧光纖激光器，調(diào)諧范圍己達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、高溫度等。
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