激光器

操作方法

高功率光纤激光器优势明显，主要表现在散热性能好、转换效率高、可以免维护且光束质量好。

高功率光纤激光器在中国市场的容量非常可观，虽然中国目前的相关研究工作相对滞，但从长远来看前景广阔。

高功率光纤激光器目前主要运用在工业产品制造、医疗保健、能源勘测、军事国防领域。

高功率光纤激光器代表了高功率、高亮度激光的发展方向，其最大特点是能将整台机器高度实现光纤一体化。

据外国媒体报道，罗马尼亚科学家开发了一种创纪录的10兆瓦激光，相当于地球上太阳产生能量的十分之一。

如此高功率的激光有多强？根据罗马尼亚科学家的实验结果，任何物质只要被10MW激光照射，哪怕是一秒钟，都可以立即蒸发。

当然，这些科学家开发10MW激光器的初衷是为了研究光核特性、癌症医学、辐射研究等。

据报道，该激光器是由欧盟委员会通过“超轻型基础设施”项目开发的，耗资8.5亿欧元。10 MW激光器位于一个密封的腔室中，通过几个带有聚焦透镜的真空管移动。研究人员甚至看不见它。相反，他们从计算机中读取相关数据。

研究人员可以用这种激光来研究超新星的影响以及重金属是如何形成的。

科学家开发了10MW激光:任何物质在几秒钟内蒸发

德国和美国科学家共同创造了一种谱线宽度仅为10毫赫兹(1毫赫兹等于0.001赫兹)的激光器，创造了激光单色性的新世界纪录。

根据德国联邦物理和技术研究所发布的新闻稿，这是迄今为止最接近理想单色性的激光器。用它来测量原子频率可以使光子时钟更加精确，也有助于光谱学和射电天文学的研究。

频率和波长决定了光的颜色。阳光由许多不同频率的光组成。分解后，彩虹可以形成。光的频率越单一，单色性越好，在光谱中所占的面积越窄。理想的激光只有一个频率和波长，谱线是一条没有宽度的线，但在现实中是无法实现的。

普通激光器的线宽通常在几千赫兹到几百万赫兹之间，不适合要求极高精度的实验。德国联邦物理与技术研究所和美国实验天体物理联合研究所的科学家们合作创造了两个波长约为1.5微米的激光束。比较显示线宽为10毫赫兹。这篇论文发表在《美国物理杂志评论通讯》上。

这两个激光器非常稳定，组成激光器的所有光波都非常相似，振荡步长高度一致，在每秒194万亿次振荡的条件下，同步至少可以保持11秒。在这段时间里，激光可以传播330万公里，相当于地球到月球距离的近10倍。

为了提高单色性，研究人员建立了谐振腔，谐振腔是决定激光性能的关键部件，尽可能紧密地隔离温度和压力等外部影响，并将其冷却到零下150摄氏度左右，使谐振腔的长度波动不超过氢原子直径的1/10万。他们说实验装置可以进一步优化，可能会将线宽降低到1毫赫兹以下。

几天前，研究人员开发了世界上第一台“水波”激光器，表明激光实际上可以由光波和水波的相互作用产生。

这些新型激光器可以完成研究人员难以完成的控制操作，并可以帮助研究人员制作微流控“芯片实验室”设备，从而更好地利用激光器，并使它们能够更有效地用于显微细胞研究和测试不同的药物疗法，这可能在被广泛用于医学后为患者提供更好的护理。

那么，什么是水波激光？

激光在我们的生活中被广泛使用。例如，我们需要一个激光头来启动DVD，但激光头实际上是一个激光器。甚至，我们有时可以用激光和小猫玩耍。这些激光器实际上是单波长光，也称为单色光。然而，像这样的普通激光器通常表现出相同的频率(相干性)，并且通过激发内部电子聚焦在一个点上(准直)。

当这种情况发生时，你可以得到一束高能激光束，它仍然可以在某一点聚集而不会扩散到很远的地方，有点像手电筒的光束。

海法以色列科学技术研究所的团队说:“当原子中的电子通过吸收外部能量转变为激发态时，这个过程会以激光的形式发出辐射，于是一种典型的激光就诞生了。”

那么，他们究竟是如何设法让水波发出激光的呢？首先，他们必须知道他们面临什么问题。

根据该研究小组的了解，过去研究人员之所以没有开发水波激光器，是因为液体表面的水波振荡频率远低于整个光波的频率，这意味着水波的能量很低，很难为激光发射提供足够的能量，也就是说，此时水波和光波之间的能量传递效率很低。

以下是该团队制作的水滴振荡模型:

为了克服这种缓慢的振荡，他们发明了一种装置，利用光纤将光传输到辛烷和水的微小液滴中。

引入液滴的微小光波与水波相互作用，来回振动，直到产生的能量足以使光以激光的形式发出，像蝴蝶一样从“水茧”中逃脱。

该小组的相关人员还透露:“光纤中的光和液滴表面的微小振动之间的相互作用可以被视为一种回声，声波和它们穿过的表面之间的相互作用可以多次产生一声尖叫。”

为了增加设备中的回声效应，研究人员使用高度透明的流动液体来增强光和液滴之间的相互作用。

最酷的部分是从光纤引入的光足以使水滴变形，因为水毕竟只是一种液体，分子间的结构并不那么稳定。

显然，任何一种高能粒子一旦被挤压成微小的水滴都会变形，但普通的光电机械设备不会那么软，也不会那么容易变形。

这种变形程度大约是目前激光生产设备的一百万倍，这非常有助于实现更有效地控制激光发射能量和激光强度。一旦这项技术进一步发展，研究人员也可以在实验室环境中研究细胞，这非常有用。

蝌蚪工作人员从科学警报，翻译sunhine，转载必须得到授权。

1961年，中国第一台激光器诞生。1964年，中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称上海光学精密机械研究所)成立，这是中国第一个探索激光科学技术的专业研究所。2007年10月，嫦娥一号卫星发射升空，同年11月28日，嫦娥一号卫星搭载的机载激光测高仪正式启动，发射出第一束激光，接收到第一个回波。迄今为止，经过几十年的不断研究，上海光学与机械服务研究所的研究人员终于将中国研制的激光发射到了太空。激光在卫星上承担什么重要任务？激光进入太空后会面临什么困难？日前，中国科学院上海光学精密机械研究所副所长陈卫彪在上海新闻出版局、上海市科协、上海市科协论坛、科普中国领军人物讲座、上海激光学会、上海科普作家协会举办的“夏季院士专家系列论坛”第二场讲座现场接受了新华社的采访。

新华网快讯:你公司承担了嫦娥系列卫星激光器及相关系统的研发工作。你能介绍一下这些激光器在卫星上执行什么任务吗？

陈卫彪:我们的团队主要负责嫦娥一号、二号、三号和四号卫星的激光及相关系统的开发。围绕月球探测项目的第一、第二和第三阶段的任务，以及轨道运行、坠落和返回这三个目标，激光在不同的卫星上执行不同的任务。

在嫦娥一号卫星上，激光主要负责测量月球的三维地形。在嫦娥二号卫星上，激光需要通过精密测量为着陆器找到一个合适的着陆点。嫦娥三号卫星上的激光器承担了相对更多的任务。它不仅在着陆过程中测量着陆器相对于月球表面的高度，而且在着陆过程中测量月球的三维地形，以确保着陆器能够安全平稳地在平坦的月球表面着陆。

新华社:与普通激光相比，空间激光进入太空会遇到什么困难？

陈卫彪:与地面激光相比，空间激光面临许多复杂的技术挑战。卫星负载不可修复，因此复杂的空间激光器必须具有高可靠性，以满足空间环境的使用要求。

它将主要面临空间环境带来的问题。包括承受火箭发射的巨大冲击力，在真空环境中工作，面对严酷的高温、低温等。；此外，有必要确保激光器能够在复杂的空间环境中长时间稳定可靠地工作。

新华社:目前空间激光在中国的应用方向是什么？

陈卫彪:目前，中国的空间激光器主要有三个应用方向。

首先是在深空探测领域。例如，空间激光已广泛用于嫦娥系列卫星，并将用于未来的空间科学研究，如火星或其他行星探索。二是地球观测领域，可用于测量全球地球高度、植被分布、大气/海洋环境参数和污染气体等。第三是激光通信领域。空间激光作为信息载体，可以实现星际、星间和星间通信。

新华社:中国空间激光的发展现状如何？

陈卫彪:空间激光器的发展是由国家和科学的需要驱动的。

例如，人们普遍关心空气污染问题。我们现在正在开展一个激光遥感项目，开发特定波长的空间激光器，以满足监测二氧化碳和其他大气污染物全球分布的特殊需要。此外，近年来，在全球互联网形势的指引下，激光通信、高低轨通信和世界互联网发展非常迅速，极大地推动了激光的发展。未来，天地一体化信息领域的发展也将推动空间激光的进一步发展。导航卫星需要开发更高精度的原子钟，其中激光冷却的冷原子钟可以提供更高精度的时频信息。

新华社:你认为空间激光器未来的发展方向是什么？

陈卫彪:未来空间激光的发展应该是“三高一小”。

高可靠性、高功率和高光束质量，但同时必须小型化以满足空间环境的要求，这也是空间激光研究人员追求的目标。

激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线(以至X射线和γ射线)的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。

随着人类对激光技术的进一步研究和发展，激光器的性能将进一步提升，成本将进一步降低，但是它的应用范围却还将继续扩大，并将发挥出越来越巨大的作用。打火机可制出激光器吗?

激光指示器是以激光作为指示用途的小型低功率激光器，属于一般民用品，也称为激光笔、指星笔等。它是一种用途广泛的产品，教学、科研单位作为教学、学术报告、会议等场合配合视像设备作为指示用;军事单位用于配合大屏幕指挥系统指示;旅游单位用于导游讲解;建筑及装修监理单位用于建筑、装修验收时的指示等。某些场合还可将其固定作为定向工具;亦可将其作为礼品。

打火机也可以改造成激光器，具体制作方法如下：

1.把打火机的燃料液化气体全部排干净，拆除其打火装置备用。

2.将激光装置，电子电池，二极管，以及打火装置串联起来后放到打火机的壳内，一个简易的激光器就制成了。

今天小编对打火机可制出激光器吗进行了简单的介绍，如果还想了解更多的打火机知识以及旅游安全知识，还请继续关注我们的网站，希望今天的内容能对您能有所帮助。

记者22日从2016“武汉·中国光谷”激光技术与产业发展创新论坛上获悉：中国航天科工集团第四研究院所属武汉锐科光纤激光器技术有限责任公司正在研发国内首台2万瓦光纤激光器，这一技术成果直接打破国外技术垄断，将于2018年上半年问世并投入使用。

“目前，我国2万瓦光纤激光器只能依赖进口。”项目负责人之一、国家“千人计划”专家、锐科公司总工程师闫大鹏介绍，一台进口的2万瓦光纤激光器市场价格为600万元，实现国产后，售价有望降低40%。此前，中国航天科工集团四院已成功研发出1万瓦光纤激光器，是全球第二家掌握此核心技术的企业。

光纤激光器是继二氧化碳和半导体激光器之后的第三代产品，它由细如发丝的光纤来释放激光能量，可广泛应用于工业造船、飞机和汽车制造、航空航天以及3D打印等领域，与传统二氧化碳激光器相比，光纤激光器的耗电量仅为其1/5，体积只有其1/10，但速度快4倍，转换效率高20%，且没有污染。闫大鹏介绍，我国首台万瓦连续光纤激光器研制成功，打破国外垄断后，万瓦光纤激光器的价格由每台500万元降至300多万元。如今2万瓦光纤激光器正式在武汉装机，明年即可整机试运行。

在过去几十年里，Nd:YAG脉冲激光器一直是材料加工的主力军，其中相当一部分机器的使用时间甚至已经超过30年。其中，波长为1070nm的脉冲激光器应用最为广泛，比如医疗器械、航空、电子等等。尽管如此，在某些方面，这种激光器仍有待改进，比如峰值功率高，但平均功率低，电效率不高，功率提升时光束质量不稳定，聚焦光斑尺寸近似高斯光束，在获得稳定输出之前需要几轮脉冲预热等等。然而，纵有种种不尽如人意，这种激光器还是在相当长一段时间里发挥着重要的作用。在航空领域，Nd:YAG脉冲激光器更是占据着主导地位，广泛用于各种器件的冷却孔加工。

光纤激光工艺

2009年初，从事材料加工行业的人开始将目光投向那些能够提供高峰值功率的脉冲激光器，以及具有较高功率水平的连续激光器，这类激光器峰值功率一般可达到3kW，平均功率300W。技术的飞跃催生出更高的峰值功率及平均功率。如今，峰值功率高达20kW，平均功率2kW，以及超高功率连续激光器已经问世。功率的不断更新换代，将光纤激光器推上了航空器件加工的舞台。

相较于传统的Nd:YAG激光器，光纤激光器在电光转换效率及光束亮度（单模或低位操作）方面均有显著的改善，且无需预热，功率改变时，无论是平顶模式（如图1所示），还是高斯模式，光斑直径始终保持稳定如一，同时，脉冲频率更高，参数的实时调节性能也更强。由于光纤激光器利用的是单个发射器激发，所以在可靠性、功率稳定性及灵活性方面较闪光灯泵浦激光器而言，有了质的飞跃。

图1平顶模式

鉴于光纤激光器的应用方式灵活多样，不仅可以作为新机安装，也可以对现有生产线进行升级，所以正在占据越来越多的市场份额。之前所有使用Nd:YAG激光器的生产系统都能转换为光纤激光器。随着市场需求的发展，现在已有峰值功率达到20kW高功率光纤激光器可供选择（见下表）。

上述峰值功率及平均功率已经可以覆盖从微加工到大型加工，从微钻孔到大型钻孔，薄厚板材切割，深雕等多种应用需求。

航空领域的钻孔需求

航空领域无疑是又一个因光纤激光器而获益匪浅的行业。在现在航空业中，一个涡轮引擎可能会有多达数百万计个孔，这些孔主要用于帮助器件在运转过程中及时散热。孔的厚度、角度、直径、形状各不相同。在航空领域钻孔应用中，新型光纤激光器是一种更快，更灵活、更稳定，也更具成本优势的选择。

生产航空器件冷却孔主要有两种方式：一种是利用多重脉冲，依据所需孔径形成钻孔（脉冲钻孔）；另一种是利用小光斑，在圆形范围内移动光束形成钻孔（套孔）。总的来说，套孔速度慢，但形状更完美。在某些应用中，只能选择套孔，这些孔通常直径为0.015–0.030in（如图2所示）。

图2：脉冲钻孔，左侧孔径为0.010in，右侧孔径为0.030in

航空领域还有一个特殊的钻孔需求，就是连接限流孔的扇形孔（如图3所示）。这些扇形孔是冷却空气的出口，目的是将同等流量的空气分流至更大的范围，以达到更好的冷却效果。目前，生产扇形孔的工艺主要有以下几种：第一种是小光斑调Q激光器+扫描仪。扫描仪用于扫描限流孔出口处的形态。使用这种方法加工扇形孔，需要两台机器分头操作；第二种方法是缩小光斑尺寸创造锥度，然后利用CNC套形，但是这种方法比搭载扫描仪的“二步法”慢得多；第三种方法是利用 EDM钻孔技术，在形成限流孔后再增加一个扇形孔。有一点很重要，就是在钻扇形孔时，需要避免热障涂层的剥离，而现在绝大多数器件上都有热障涂层。

图3：连接限流孔的A.030in扇形孔

航空领域钻孔应用——光纤激光器

与Nd:YAG脉冲激光器相比，光纤激光器的优势显而易见。首先，光纤激光器的泵浦源是二极管而非闪光灯，所以能够形成完美的方波；其次，采用闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器升降较慢，所以总有一部分激光能量低于目标区域的蒸发阈值，这部分能量会使材料熔化，导致热障涂层剥离。要达到重铸层的规格要求，脉冲周期必须小于1ms。在这一点上，光纤激光器拥有绝对优势，因为它能够产生方波波形，所以使用10ms脉冲就能满足航空器件对于重铸层和裂化的规格要求。

我们用燃烧室来举例说明。使用脉冲钻孔时，燃烧室会在钻孔的过程中同步旋转数圈，在这种情况下，钻透需要5个脉冲，另外再用2个脉冲形成扇形孔。通常这种激光器最大的重复频率是10脉冲/秒。而光纤激光器用1个长脉冲就能形成扇形孔，如果采用与Nd:YAG激光器相同的脉冲周期和脉冲能量，则速度可以达到原来的10倍。无论是单个或两个长脉冲，还是多重脉冲，都能获得相同的钻孔质量。另外，光纤激光器还能调节钻透时与钻透后的脉冲周期，而不是一直使用多重脉冲，这样有利于避免损坏本体。

光纤激光器的特点是可以以平顶模式输出，而Nd:YAG激光器则为近似高斯模式。所以，得益于平顶模式，前者全部能量均超过蒸发阈值，而后者则有相当一部分在阈值之下。研究显示，在相同条件下达到相同钻孔效果，光纤激光器所需耗费的能量更少，究其原因，就是方波+平顶模式。也正是因为这个特性，光纤激光器在钻孔时效率更高，热损伤更少。热损伤少了，涂层剥离及重铸层均会随之改善。

Nd:YAG激光器之所以曾经备受关注，其原因之一就是独特的光束发散属性，其光斑尺寸能随着功率的升高或降低改变，只要经过重新调焦，就能达到所需孔径。有的Nd:YAG激光器集成了内调焦望远镜，用于改变光束的发散角，但是这种调整需要操作人员具有极高的专业度，耗时，还要有正确的参数，所以很多人不看好这种方法。在这一点上，光纤激光器正好相反，因为其聚焦形状为完美的圆形，所以在功率升高或降低时均不会发生改变，而且，如果在系统中置入一个可缩放的望远镜，就能够在飞行钻孔时直接改变聚焦光斑的大小。范围通常为3-1。

光纤激光器的灵活性远在Nd:YAG激光器之上，这主要是由于前者的高应答二极管能够在飞行钻孔时改变脉冲周期和功率大小，使操作人员能够利用不同的功率大小及脉冲周期，创建所需的脉冲序列。比如，在开始钻孔时用低功率、短脉冲，然后根据特定的钻孔需求，按照序列提高功率和脉冲。由于光纤激光器能够在提供千瓦级高峰值功率的同时，调整光斑尺寸及脉冲周期（低至 10μs），所以只用一台机器就够了。

使用套孔技术时，光纤激光器的加工速度能达到灯泵浦Nd:YAG脉冲激光器的10倍。不仅如此，飞行钻孔时，光纤激光器还能转换为功率高达2kW的连续输出，实现高速切割。对于某些燃烧室设计而言，这一数据还能进一步提升。综上所述，脉冲光纤激光器是切割较厚板材以及高速钻孔应用的理想选择。

航空领域钻孔应用——生产系统

光纤激光器的另一个显著优势就是易于与现有机器或是机器人系统整合。光纤激光器的能量传输是通过光缆实现的，所以无论是现有系统升级，还是全新安装，都很容易。连接光纤激光器的工业机器人能够通过编程实现精准控制，这样人们就可以建立一种新的钻孔系统，用较少的资本投入，获得机器人系统的高度灵活性。此外，将机器人与六轴系统相结合，也能满足航空器件工业钻孔对精确度的需求。直到今天，一些大型企业仍在不断深入研究，包括多轴机器及机器人系统的开发，现有生产线的升级等等。

长脉冲光纤激光器能够显著改善冷却孔的参数，因此获得了航空领域的广泛关注。使用光纤激光器钻孔，速度更快，质量更高，孔的性状更统一，操作成本更低，还能形成一些过去无法形成的几何形状或效果。引擎生产商已经充分意识到长脉冲光纤激光器的种种优势，并将其引入不同引擎器件的生产系统中，而这种需求也必将推动着光纤激光工艺进一步发展。

激光器的种类有哪些

按工作介质的不同分类

固体激光器（Nd:YAG、Ti:Sapphire等）

特点：器件小、坚固、使用方便、输出功率大

连续100W以上 脉冲峰值则更高

钛宝石激光器

气体激光器（He-Ne、CO2、Ar+ 激光器等）

特点：结构简单、造价低，操作方便，工作介质均匀、光束质量好，长时间稳定连续工作

氦氖激光器(Helium Neon lasers): Wavelength: 632.8nm；Power: ～mW； Efficiency:

???CO2激光器(Carbon Dioxide lasers): Wavelength: 10.6mm; Power: ~10W; Efficiency: ~ 30%; Up to 30 % efficiency can be achieved and it is easy to produce a beam of 100 Watts of energy. Using laser tubes tens of metres in length enable many kilowatts of energy to be produced.

???Ar+ Laser: Wavelenth: 514.5nm; Power: ~W Efficiency: ~1%

??气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便；工作介质均匀、光束质量好，能长时间稳定连续工作等特点也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场的60％左右。氦氖激光器输出波长632.8纳米，功率约几个毫瓦，采用几千伏高压的电激励，工作电流10-20毫安，可以采用内腔式、外腔式、半外腔式结构的光学谐振腔；CO2激光器输出波长1064纳米，功率一般约10瓦左右，…；

液体激光器（燃料激光器等）

???特点：输出波长连续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。一般激光泵浦

??液体激光器输出波长连续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。常用的是染料激光器，采用有机染料为工作物质，利用不同的染料可以获得不同波长的激光（在可见光范围内），一般用激光作泵浦源，如氩离子激光器等。

半导体激光器（ GaAlAs、InGaAs等）

利用半导体介质掺杂; Wavelength: infra-bluePower: mW~W; Efficiency: high efficiency

特点：体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固。

??半导体激光器特点是体积小、质量轻、寿命长、结构简单而且坚固等，波长范围可以从红外到蓝光，功率从毫瓦量级到瓦级都有，光光转换效率较高。常用的有砷化钾激光器，发射840纳米的激光。另有掺铝的砷化钾、砷化锌等。激励方式有光泵浦、电激励等等。

按激光的输出方式不同分类

连续激光器 脉冲激光器

根据激光输出方式的不同又可以分为连续和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大。

激光器的结构原理

红宝石激光的示意图

1、激光介质可以是气体、液体、固体和半导体，要求存在亚稳态能级为实现粒子数反转之必要条件；现有工作介质近千种，可以产生的激光波长从真空紫外到远红外，非常广泛；

2、激励源使介质出现粒子数反转。可以是电激励、光激励、热激励、化学激励等等。电激励用气体放电的方法去激励介质原子；各种激励方式又被形象地称为泵浦或抽运。不断泵浦才能维持上能级粒子数多于下能级，不断获得激光输出。

3、有了前两者只能保证实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用，所以可以用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔实际是在激光器两端装上两块反射率很高的镜子，一块全反射，一块部分反射，以使激光可透过这块镜子射出，被反射回到工作介质的光继续诱发新的受激发射，光被放大。因此光在谐振腔内来回振荡造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜一端输出。

按工作介质的不同来分类，可以是固体、气体、液体、半导体激光器。固体激光器特点器件小，坚固、使用方便、输出功率大但电源一般都比较庞大。比如钛宝石激光器一般采用半导体激光器泵浦，常采用环形腔，可以是连续或是脉冲式的；…

激光器的特点有哪些?

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。

半导体激光器的结构和工作原理分析

现以砷化镓（GaAs）激光器为例，介绍注入式同质结激光器的工作原理。

1．注入式同质结激光器的振荡原理。由于半导体材料本身具有特殊晶体结构和电子结构，故形成激光的机理有其特殊性。

（1）半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。

（2）掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。

有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。

半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为（2－5）× 1018cm-1；p型为（1－3）×1019cm-1。

在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。

（3）p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。

要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大（如30000A/cm2）。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。

2．半导体激光器结构。其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。

半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面（110面）构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95％以上的反射率。

一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合。