激光器件

1960年邁曼(Maimen)發明紅寶石激光器。激光(Laser)與通常的光線的不同之處主要在於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，是發散角很小，近似平行光。在紅寶石激光器發明後，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。但半導體激光器的製造工藝十分複雜，需要在極高純度無缺陷的襯底材料上外延生長5層摻雜的半導體，再在上面光刻微米尺寸的光波導，其難度與光纖相比，有過之而無不及。於70年代末，室温連續工作長壽命的半導體激光器終於製成。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。此時半導體激光器尚未過關，光源是採用半導體發光管。在80年代初，單模光纖和激光器已經成熟，從此光纖通信大容量的優越性逐步得到發揮。

半導體激光器發出的光，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部採用半導體激光器做光源。

最簡單的半導體激光器結構。它由5層半導體構成，中間的有源層摻有活性物質。在兩電極上注入電流後，使有源層裏活性物質的原子中的電子由低能態激發到高能態。這些高能態的電子從高能態還原為低能態時會發出光，這稱為自發輻射。自發輻射的光並不很純，即它包含的譜線較寬。如果自發輻射的光很強，這些光在半導體兩鏡面內來回反射。在此過程中．對於相位一致的各光能，能量疊加而越來越大；對於相位不一致的各光能，能量互相削弱而越來越小。能量會按照半導體兩鏡面構成的腔體轉換為某特定波長的光能，當它發生振盪時使形成激光。激光是由所謂受激輻射發生的。半導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、以提高效率。半導體激光器發出的激光的光波長主要取決於半導體的材料和鏡面的距離。

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、工業加工、醫療、軍事等領域取得了日益廣泛的應用。

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。激光器不僅能產生連續激光輸出，而且能實現ps-fs超短光脈衝的產生，在DWDM系統有巨大的潛在應用。激光器使通信系統有更高的傳輸速度，更遠的傳輸距離，起着不可替代的作用。

在傳感方面，激光器用於相位型、波長型、光強型和偏振態型光纖傳感中。在石油或天然氣井中可測量温度和壓力;在道路、橋樑和船殼中可測量應變;在飛機機翼中進行飛行健康監控;還能應用於光纖水聽器和電流傳感中。

在工業方面，激光器已經在金屬和非金屬材料的加工與處理、激光雕刻、激光產品打標、激光焊接、焊縫清理、精密打孔和激光圖形藝術成像等方面很有作為。

在醫療方面，激光器因其體積小、光纖柔軟性好，光束質量好，且不需冷卻系統，已經得到了廣泛的應用。光纖激光器能縮短組織脱落和光致凝結的手術時間:同時使得眼科疾病如角膜成形、近視、遠視等的治癒成功率大大提高。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，體積小而倍受青睞。作為武器可以精確的瞄準打擊並摧毀目標，另外在定位、測距、遙感、跟蹤制導、激光雷達系統傳感技術和空間技術等方面有着重要意義。

光纖激光器近幾年倍受關注，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點，主要表現在:

(1) 光束質量好，具有非常好的單色性、方向性和穩定性;

(2) 光纖既是激光增益介質又是光的導波介質，因此泵浦光的禍合效率相當的高，纖芯直徑小，纖內易形成高功率密度，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，而使總的光一光轉換效率超過60%;

(3) 基質材料是Si02，具有極好的温度穩定性;而光纖的圓柱形結構具有較高的表面積/體積比，散熱快，環境温度允許在-20-+7000C，它的工作物質的熱負荷相當小，無需冷卻系統，能產生高亮度和高峯值功率，己達140mw/cm2;

(4)體積小，結構簡單，工作物質為柔性介質，可設計得相當小巧靈活，使用方便，易於系統集成，性價比高; (5) 作為激光介質的摻雜光纖，摻雜稀土離子擁有極為豐富的能級結構，能級躍遷覆蓋了從紫外到紅外很寬的波段，可實現激光振盪的躍遷能級很多。可在很寬光譜範圍內(455-3500nm)設計運行，加之玻璃光纖的熒光譜相當寬，插入適當的波長選擇器即可得到可調諧光纖激光器，調諧範圍己達80nm;

(6) 硅光纖的工藝現在已經非常成熟，因此可以製作出高精度，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，因此易於進行光纖集成，禍合損耗低，使用方便。

(8) 可在惡劣的環境條件下工作，如高衝擊、高震動、高温度等。