激光器件原理与设计pdf（激光器件）

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激光器件，激光器件是什么意思？

激光器件的起源和发展

光纤通信需要的光源应该是可以高速调制的光源，以承载大容量的信息。例如激光器和发光管。所谓“调制”，就是根据要传输的信息改变光的强度来承载信息。

1960年，麦门发明了红宝石激光器。激光和普通光的区别在于，激光的光频很简单，它有线性的谱线。光学上称为相干光，是最适合光纤通信的光源。但是，通常的光频是非常混乱的，它包含了许多波长。但是，通常的光频是非常混乱的，它包含了许多波长。相干光的特点是光能集中，发散角小，光线近乎平行。红宝石激光器发明后，各种激光器相继诞生：气体激光器，如He-Ne激光器；有固态激光器，如YAG铱铝石榴石激光器；有化学激光器；染料激光等。其中，半导体激光器是最适合光纤通信的光源。它体积小，效率高，波长适合光纤的低损耗窗口。

然而，半导体激光器的制造工艺非常复杂。需要在高纯度、无缺陷的衬底材料上外延生长五层掺杂半导体，然后在上面光刻出微米级的光波导，难度甚至超过光纤。70年代末，终于做出了长寿命、室温下连续工作的半导体激光器。1976年，世界上第一条实用的光纤通信线路从亚特兰大到美国华盛顿建立。此时半导体激光器尚未通过测试，光源为半导体发光管。80年代初，单模光纤和激光器已经成熟，此后光纤通信大容量的优越性逐渐发挥出来。

半导体激光器发出的光谱线纯净、能量集中、光束细，可高效注入芯径仅为8微米的单模光纤。今天的高速光纤通信系统部使用半导体激光器作为光源。

半导体激光发射原理

最简单的半导体激光器结构如图1所示。它由五层半导体层组成，中间的有源层掺杂有活性物质。电流注入两个电极后，活性层中活性材料原子中的电子被从低能态激发到高能态。这些高能态的电子从高能态还原到低能态时会发光，称为自发辐射。自发发射的光不是很纯，即包含很宽的光谱。如果自发发射的光很强，它会在半导体的两个反射镜中来回反射。在这个过程中，对于每一个相位相同的光能，能量叠加起来，变得越来越大；对于不同相位的光能，能量相互削弱，越来越小。能量会根据半导体的两个镜面形成的空腔转换成特定波长的光能，振荡时形成激光。激光是由所谓的受激辐射产生的。半导体的镜面光滑半透明，激光可以从镜面输出。限制层的功能是将光能集中在有源层中以提高效率。半导体激光器发出的激光波长主要取决于半导体材料与镜面之间的距离。

激光的应用

激光器以其优异的性能和低廉的价格，被广泛应用于光纤通信、光纤传感、工业加工、医疗、军事等领域。

在通信方面，激光器提供的1.30微米和1.55微米激光是通信的两个低损耗窗口。激光器不仅可以产生连续的激光输出，还可以产生ps-fs超短光脉冲，在DWDM系统中有很大的潜在应用。在传输速度更高、传输距离更远的通信系统中，激光器发挥着不可替代的作用。

在传感方面，激光用于相位、波长

在工业方面，激光在金属和非金属材料的加工和处理、激光雕刻、激光产品标记、激光焊接、焊缝清理、精密钻孔和激光图形艺术成像等方面取得了巨大成就。

在医疗方面，激光因其体积小、光纤柔韧性好、光束质量好、无需冷却系统而得到广泛应用。激光可以：缩短组织脱落和光凝的手术时间，同时大大提高角膜移植、近视、远视等眼科疾病的治愈成功率。在美容外科、肿瘤切除、癌症治疗和皮肤病中也有重要作用。

在军事上，高功率激光器因其亮度高、照射面积小、体积小而备受青睐。作为一种武器，它能精确瞄准并摧毁目标，在定位、测距、遥感、跟踪与制导、激光雷达系统传感技术、空间技术等方面也具有重要意义。

激光的特性

近年来，光纤备受关注，成为大家研究的焦点，因为它有很多其他激光器无法比拟的优点，主要表现在：

(1)良好的光束质量、优异的单色性、方向性和稳定性；

(2)光纤既是激光增益介质，又是光的波导介质，因此泵浦光的效率相当高，纤芯直径小，容易在光纤中形成高功率密度。此外，光纤激光器可以方便地扩展增益长度，使泵浦光被充分吸收，总的光-光转换效率超过60%；

(3)基体材料为二氧化硅，具有良好的温度稳定性；而光纤的圆柱结构表面积/体积比高，散热快，环境温度允许在-20-7000，其工作物质的热负荷相当小，可以产生高亮度和高峰值功率，最高可达140mw/cm2，无需冷却系统。

(4)体积小，结构简单，工作介质灵活，设计小巧灵活，使用方便，易于系统集成，性价比高；

(5)掺稀土离子光纤作为激光介质，具有非常丰富的能级结构，能级跃迁覆盖了从紫外到红外的宽波段，可以实现激光振荡的多种跃迁能级。它可以设计和工作在很宽的光谱范围内(455-3500nm)，玻璃纤维的荧光光谱相当宽，因此可以通过插入合适的波长选择器来获得。

　　(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。

本文讲解到此结束，希望对大家有所帮助。

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