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浅谈激光器件的起源与发展应用

导读: 光纤通信所需的光源,应该是可高速调制的光源,以便载送大容量信息。如激光器和发光管。所谓“调制”就是按照所要传输的信息来改变光的强度等,以承载信息。

激光器件的起源与发展

光纤通信所需的光源,应该是可高速调制的光源,以便载送大容量信息。如激光器和发光管。所谓“调制”就是按照所要传输的信息来改变光的强度等,以承载信息。

1960年迈曼(Maimen)发明红宝石激光器。激光(Laser)与通常的光线的不同之处主要在于激光的光频非常单纯,具有线状谱线,光学中称为相干光,最适合做光纤通信的光源。而通常的光线的光频十分杂乱,它包含许多波长。而通常的光线的光频十分杂乱,它包含许多波长。相干光的特点是光能集中,是发散角很小,近似平行光。在红宝石激光器发明后,各色各样的激光器相继诞生: 有气体激光器,如氦氖激光器;有固体激光器,如YAG铱铝石榴石激光器;有化学激光器;染料激光器等。其中半导体激光器最适合作光纤通信的光源,它的体积小,效率高,它的波长同光纤的低损失窗口相适合。

但半导体激光器的制造工艺十分复杂,需要在极高纯度无缺陷的衬底材料上外延生长5层掺杂的半导体,再在上面光刻微米尺寸的光波导,其难度与光纤相比,有过之而无不及。于70年代末,室温连续工作长寿命的半导体激光器终于制成。1976年,在美国亚特兰大至华盛顿建立了世界上第一个实用化的光纤通信线路。此时半导体激光器尚未过关,光源是采用半导体发光管。在80年代初,单模光纤和激光器已经成熟,从此光纤通信大容量的优越性逐步得到发挥。

半导体激光器发出的光,谱线很纯,能量集中,光束很细,能高效率地射人芯直径仅8微米的单模光纤中。当今的高速光纤通信系统部采用半导体激光器做光源。

浅谈激光器件的起源与发展应用


半导体激光器发光的原理

最简单的半导体激光器结构如图1所示。它由5层半导体构成,中间的有源层掺有活性物质。在两电极上注入电流后,使有源层里活性物质的原子中的电子由低能态激发到高能态。这些高能态的电子从高能态还原为低能态时会发出光,这称为自发辐射。自发辐射的光并不很纯,即它包含的谱线较宽。如果自发辐射的光很强,这些光在半导体两镜面内来回反射。在此过程中,对于相位一致的各光能,能量叠加而越来越大;对于相位不一致的各光能,能量互相削弱而越来越小。能量会按照半导体两镜面构成的腔体转换为某特定波长的光能,当它发生振荡时使形成激光。激光是由所谓受激辐射发生的。半导体的镜面是光洁和半透明的,激光可从镜面输出。限制层的作用是使光能集中在有源层内、以提高效率。半导体激光器发出的激光的光波长主要取决于半导体的材料和镜面的距离。

激光器的应用

激光器以其卓越的性能和低廉的价格,在光纤通信、光纤传感、工业加工、医疗、军事等领域取得了日益广泛的应用。

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两个低损耗窗口。激光器不仅能产生连续激光输出,而且能实现ps-fs超短光脉冲的产生,在DWDM系统有巨大的潜在应用。激光器使通信系统有更高的传输速度,更远的传输距离,起着不可替代的作用。

在传感方面,激光器用于相位型、波长型、光强型和偏振态型光纤传感中。在石油或天然气井中可测量温度和压力;在道路、桥梁和船壳中可测量应变;在飞机机翼中进行飞行健康监控;还能应用于光纤水听器和电流传感中。

在工业方面,激光器已经在金属和非金属材料的加工与处理、激光雕刻、激光产品打标、激光焊接、焊缝清理、精密打孔和激光图形艺术成像等方面很有作为。

在医疗方面,激光器因其体积小、光纤柔软性好,光束质量好,且不需冷却系统,已经得到了广泛的应用。光纤激光器使能缩短组织脱落和光致凝结的手术时间:同时使得眼科疾病如角膜成形、近视、远视等的治愈成功率大大提高。还在整容、切除肿瘤、治癌、皮肤病方面扮演重要的角色。

在军事方面,高功率激光器以其高亮度,小照射面积,体积小而倍受亲睐。作为武器可以精确的瞄准打击并摧毁目标,另外在定位、测距、遥感、跟踪制导、激光雷达系统传感技术和空间技术等方面有着重要意义。

激光器的特点

光纤激光器近几年倍受关注,成为大家研究的重点,这是因为它早有其它激光器所无法比拟的优点,主要表现在:

(1) 光束质量好,具有非常好的单色性、方向性和稳定性;

(2) 光纤既是激光增益介质又是光的导波介质,因此泵浦光的祸合效率相当的高,纤芯直径小,纤内易形成高功率密度,加之光纤激光器能方便地延长增益长度,以便使泵浦光充分吸收,而使总的光一光转换效率超过60%;

(3) 基质材料是Si02,具有极好的温度稳定性;而光纤的圆柱形结构具有较高的表面积/体积比,散热快,环境温度允许在-20-+7000C,它的工作物质的热负荷相当小,无需冷却系统,能产生高亮度和高峰值功率,己达140mw/cm2;

(4) 体积小,结构简单,工作物质为柔性介质,可设计得相当小巧灵活,使用方便,易于系统集成,性价比高;

(5) 作为激光介质的掺杂光纤,掺杂稀土离子拥有极为丰富的能级结构,能级跃迁覆盖了从紫外到红外很宽的波段,可实现激光振荡的跃迁能级很多。可在很宽光谱范围内(455-3500nm)设计运行,加之玻璃光纤的荧光谱相当宽,插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器,调谐范围己达80nm;

(6) 硅光纤的工艺现在已经非常成熟,因此可以制作出高精度,低损耗的光纤,大大降低激光器的成本。

(7) 与常规传输光纤在材料和几何尺寸上具有自然的通融性和兼容性,因此易于进行光纤集成,祸合损耗低,使用方便。

(8) 可在恶劣的环境条件下工作,如高冲击、高震动、高温度等。

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