激光器
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用引言概述：激光器是一种利用激光原理产生并放大一束高度聚焦的光束的装置。
它的工作原理基于电子的激发和辐射过程。
激光器在众多领域中有着广泛的应用，包括医疗、通信、制造等。
本文将详细介绍激光器的工作原理及其在不同领域的应用。
一、激光器的工作原理1.1 激光的产生激光的产生是通过受激辐射的过程实现的。
当外界能量作用于激活物质（如激光介质）时，激活物质中的电子被激发到高能级，形成一个激发态。
当这些激发态的电子回到基态时，会释放出能量，产生光子。
这些光子经过放大和反射，最终形成一束高度聚焦的激光。
1.2 激光的放大激光的放大是通过激光介质中的光子与受激辐射的过程实现的。
在激光介质中，光子与激发态的电子发生相互作用，导致更多的电子从低能级跃迁到高能级。
这样，激发态的电子数量增加，从而产生更多的光子。
这个过程通过在激光介质中反复反射光子来实现，从而放大激光的强度。
1.3 激光的聚焦激光的聚焦是通过激光器中的光学元件实现的。
光学元件，如凸透镜或反射镜，可以改变激光光束的传播方向和聚焦程度。
通过调整这些光学元件的位置和形状，可以将激光束聚焦到非常小的尺寸，从而实现高度聚焦的激光束。
二、激光器在医疗领域的应用2.1 激光手术激光器在医疗领域中被广泛应用于各种手术操作，如激光眼科手术、激光皮肤修复等。
激光手术具有创伤小、恢复快的优势，可以精确地切割组织或疾病部位，减少手术风险。
2.2 激光治疗激光器还可以用于治疗一些疾病，如激光治疗癌症、激光治疗静脉曲张等。
激光的高能量可以破坏癌细胞或静脉曲张血管，从而达到治疗的效果。
2.3 激光诊断激光器还可以用于医学诊断，如激光扫描显微镜、激光断层扫描等。
激光的高分辨率和高灵敏度可以帮助医生观察和诊断微小的组织结构或病变。
三、激光器在通信领域的应用3.1 光纤通信激光器在光纤通信中扮演着重要的角色。
激光器产生的高度聚焦的激光束可以通过光纤传输信息，实现高速、远距离的通信。
激光器的基本参数和基础知识
激光器的基本参数和基础知识激光器（Laser）是一种将谐振腔中储存的能量转变为一束具有高度相干性质的光的装置。
激光器的基本参数包括：1.波长；2.功率；3.束径；4.激光的相干性。
首先，激光器通常根据其波长进行分类。
波长是指光波在真空中一次振动所经过的距离，通常用纳米（nm）表示。
常见的激光器波长有红光（630-680nm）、绿光（532nm）和蓝光（405-473nm）等。
不同的波长适用于不同的应用领域，例如红光适用于医疗领域的血管照明和演出行业的舞台灯光，而蓝光适用于高密度光存储和显示器的背光源。
其次，激光器的功率是指光的输出强度，通常用瓦（W）表示。
激光器的功率有不同的等级，从毫瓦级到千瓦级不等。
功率越高，激光器的输出能量和功率密度也就越大，能够应用于更广泛的应用领域，如材料加工、雷达和航天等。
再次，激光器的束径是指光束的直径，通常以毫米（mm）为单位。
激光器的束径可以通过采用合适的光学系统调节，使其在不同的距离上具有不同的尺寸。
束径的大小直接影响到光束的聚焦性能和峰度，从而影响到使用激光器进行加工和操控的精度和效果。
最后，激光的相干性是指光的相位和波动性之间的关联程度。
激光器具有高度的相干性，光波的相位差非常小，波动性较小。
这使得激光器在干涉、全息、光纤通信等领域具有重要应用。
相干性的高低需要通过测量激光器的相位噪声和相干度等物理量来判断。
除了以上的基本参数，激光器还有一些基础知识。
例如激光产生的条件包括有源介质、泵浦源和正反馈条件。
有源介质是指激光器中的工作物质，它具有能够增益光子能量的特性，如固体激光器中的晶体、气体激光器中的气体等。
泵浦源是指提供能够将有源介质的粒子激发至高能级的能量的装置，如光泵浦、电泵浦和化学泵浦等。
正反馈条件是指激光器中光波在谐振腔内经过多次反射放大，并最终产生激光的条件。
此外，激光器还面临一些问题，如聚焦能力、波长稳定性和频率稳定性等。
聚焦能力是指激光器能够将光束聚焦到多细小的尺寸的能力，这可能受到衍射效应和非线性光学效应的影响。
激光器的基本参数和基础知识
激光器的基本参数和基础知识激光器是一种产生和放大一束高度聚焦的光束的装置，它利用特殊的光学放大器将输入的光线转化为一束具有高度相干性和高度单色性的激光光束。
以下是激光器的一些基本参数和基础知识：1. 激光器的波长（Wavelength）：激光器产生的激光光束的波长是决定其光学特性的重要参数。
不同波长的激光器在光的传播、吸收和散射方面有着不同的特性。
2. 输出功率（Output Power）：激光器的输出功率是指激光器在单位时间内向外辐射的光能量。
输出功率的大小可以影响到激光器在实际应用中的效果和使用范围。
3. 光束质量（Beam Quality）：光束质量是激光器输出光束的空间属性的度量，它决定了光束的聚焦能力和光学深度。
光束质量越高，光束越接近理想光束，具有更好的聚焦和穿透能力。
4. 脉冲宽度（Pulse Width）：对于脉冲激光器而言，脉冲宽度是指激光脉冲的持续时间。
脉冲宽度的长短对于一些应用领域，如精密切割、医疗器械等，有着重要的影响。
5. 光学阻尼器（Optical Attenuator）：光学阻尼器是用于调节和控制激光光束强度的光学装置，通过调整光损耗或反射来控制光强。
6. 光束扩散角（Divergence Angle）：光束扩散角是指光束的发散性，即光束离开激光器时的束腰大小和形状。
光束扩散角可以描述激光器在空间中的传播特性。
7. 频率稳定性（Frequency Stability）：激光器的频率稳定性是指激光器的输出频率在一定时间范围内的稳定性。
频率稳定性越高，激光器的输出频率在长时间应用中的波动越小。
8. 工作温度范围（Operating Temperature Range）：激光器的工作温度范围是指激光器可以正常工作的温度范围。
对于一些特殊环境下的应用，工作温度范围的宽窄对激光器的使用有着重要的影响。
1.激光的产生原理：激光器内部通过激发材料（例如气体、固体或半导体）来产生激光。
激光器等级分类标准
激光器等级分类标准
激光器的等级分类标准是根据激光器的功率、波长、辐射范围、辐射时间等参数来确定的。
国际标准化组织（ISO）和美国激光安全标准委员会（ANSI）制定了一套广泛应用的激光器等级分类标准，被称为“激光产品安全标准”。
根据这套标准，激光器等级分为以下几个级别：
1. 第一类激光器（Class 1）：无眼安全风险的低功率激光器，即使在长时间直接观察下也不会对人眼造成伤害。
2. 第二类激光器（Class 2）：低功率可见光激光器，对人眼有一定伤害风险，但由于人眼对瞬时光刺激有自我防御机制，所以在正常使用下不太可能造成损害。
这种激光器的输出功率限制在1毫瓦以下。
3. 第三类激光器（Class 3）：中等功率激光器，分为3A和3B 两个子类。
- 3A类激光器：输出功率不超过5毫瓦，对人眼有一定伤害风险，但在正常使用下不会造成严重损伤。
- 3B类激光器：输出功率在5毫瓦到500毫瓦之间，对人眼造成潜在危险，直视或近距离照射可能会引起眼睛损伤。
因此，对于3B类激光器的使用，需要采取一些特殊的安全措施来保护人眼。
4. 第四类激光器（Class 4）：高功率激光器，输出功率超过500毫瓦。
这类激光器对眼睛和皮肤都具有严重的伤害风险，甚至可以引起火灾和烧伤。
在使用和操作上，对于第四类激光器需要非常严
格的安全措施和专业技术支持。
需要注意的是，以上等级标准是一种国际通用标准，不同国家和地区可能还会有一些额外的标准和要求。
在使用激光器时，应该遵守相应的安全规范和操作指南，确保激光器的安全使用。
激光器及其应用介绍
激光器及其应用介绍激光器（Laser）是一种能产生高度聚束、单色、相干、高能量密度的光束的装置。
它通过激活外部的能量转换装置来产生激光，这种装置可以是光电子元器件、光纤、气体、固体或半导体材料。
激光器的光束特性使其在很多领域都有广泛的应用。
激光器的应用领域非常广泛，下面将对其中的几个主要领域进行介绍。
1.医疗领域激光器在医疗领域有着广泛的应用。
激光手术刀可以通过高度聚焦的激光束进行手术，减少了手术损伤和出血，提高了手术效果。
激光剥蚀术可以用来治疗角膜病变，如近视、远视、散光等。
激光切割术可以用来治疗肿瘤、寻找血管等。
此外，激光器还可以被用来进行皮肤美容，如去除斑点、减少皱纹等。
2.通信领域激光器在通信领域的应用非常广泛。
光纤通信系统中的光源通常使用激光器，它可以产生高强度的单色光束，可以在长距离传输中保持信号强度和质量不变。
激光器还可以通过频率调制技术进行信息传输，实现光纤通信的高速率和高容量。
3.材料加工领域激光器在材料加工领域有着广泛的应用。
激光切割可以用来切割金属、塑料、木材等不同类型的材料。
激光焊接可以用来焊接金属和塑料。
激光打标可以用来在材料表面进行打标和刻字。
激光烧蚀可以用来进行表面清理和剥离。
4.科学研究领域激光器在科学研究领域有着广泛的应用。
由于激光器在时间上的极高分辨率，可以用来进行超快速和超高速的实验研究。
激光器在物理、化学、生物等领域中被广泛应用，用来研究物质的结构和性质。
激光光谱学技术可以用来研究原子和分子的能级结构和光谱特性。
5.军事领域激光器在军事领域有着重要的应用。
激光瞄准器可以用来对准目标，并提供精准的引导和打击。
激光测距仪可以用来测量目标的距离，从而进行精确的射击。
激光通信系统可以用来进行无线通信，提供安全和高效的通信手段。
除了以上几个领域之外，激光器还在很多其他领域中有广泛应用，如环境监测、激光制造、激光显示、激光雷达、激光测绘等。
激光器的研发和应用将为人类的生产生活带来更多的便利和创新。
激光器的参数
激光器的参数激光器是一种将电能转化为强聚光光束的装置，具有许多重要的参数。
本文将介绍激光器的一些关键参数以及它们的意义和影响。
1. 波长：激光器的波长是指激光光束的频率或色彩。
不同波长的激光具有不同的特性和应用。
常见的激光波长有红光（630-700纳米）、绿光（510-550纳米）和蓝光（450-490纳米）。
不同波长的激光适用于不同的应用领域，例如红光激光器常用于激光指示器和光束瞄准器，蓝光激光器常用于高清晰度显示和光存储。
2. 输出功率：激光器的输出功率是指激光光束的功率密度，通常以瓦特（W）为单位。
输出功率的大小取决于激光器的设计和应用需求。
高功率激光器常用于材料加工、激光切割和激光焊接等工业应用，而低功率激光器则常用于医疗美容、激光打印和光通信等领域。
3. 光束质量：激光器的光束质量是指光束在传输过程中的聚焦能力和光斑形状的好坏。
光束质量好的激光器具有高光束质量因数（M²），能够实现更好的光束聚焦和精细加工。
光束质量常用参数有TEM₀₀模式的激光束直径和发散角等。
4. 单脉冲能量：激光器的单脉冲能量是指每个脉冲中携带的能量量级，通常以焦耳（J）为单位。
单脉冲能量的大小决定了激光器的功率密度和材料加工的效率。
高单脉冲能量的激光器常用于激光打孔、激光打标和激光烧蚀等工艺。
5. 脉冲宽度：激光器的脉冲宽度是指激光脉冲的时间长度，通常以纳秒（ns）为单位。
脉冲宽度的大小取决于激光器的调制方式和应用需求。
短脉冲宽度的激光器常用于激光雷达、激光测距和激光医疗等领域，可以实现高精度的测量和治疗。
6. 频率稳定性：激光器的频率稳定性是指激光输出频率的稳定程度。
频率稳定性好的激光器可用于精密测量、光谱分析和光学标准等领域。
一般来说，激光器的频率稳定性可以通过消除噪声源和优化激光器的设计来提高。
7. 效率：激光器的效率是指将输入电能转化为激光能量的比例。
高效率的激光器可以减少能源消耗和热量产生，提高激光器的可靠性和寿命。
激光器基本结构
激光器基本结构一、激光器的基本原理激光器是一种能够产生高强度、高单色性的光束的装置。
它的核心部分是一个能够产生受激辐射的介质，通常采用激光介质，如Nd:YAG晶体或CO2气体等。
当这个介质被能量激发时，它会放出一束相干的光束。
二、激光器的基本结构1. 激发源：用于提供能量以激发介质产生受激辐射。
通常采用电子束、闪光灯和半导体等。
2. 激光介质：用于产生受激辐射的物质，通常采用固态、液态或气态介质。
3. 光学谐振腔：由两个反射镜组成，其中一个为半透明镜。
它们将产生的光束反复反射在内部形成一条相干且强度增强的光线。
4. 准直系统：用于控制输出光束方向和形状，通常由透镜和棱镜组成。
5. 输出窗口：将准直后的光线引出谐振腔，输出到外界。
三、激光器的工作原理1. 激发介质：激光器的激发源提供能量，使介质中的原子或分子进入高能态。
2. 受激辐射：当介质中的原子或分子处于高能态时，它们会受到外界光线的刺激，并发生受激辐射，产生相干光束。
3. 谐振腔：产生的相干光束在谐振腔内反复反射，形成一条强度增强、相干性好的光线。
4. 输出：准直系统控制输出光线方向和形状，通过输出窗口将光线引出谐振腔。
四、常见的激光器类型1. 固态激光器：采用固体介质，如Nd:YAG晶体等。
2. 气体激光器：采用气体介质，如CO2气体等。
3. 半导体激光器：采用半导体材料作为介质。
4. 其他类型：还包括自由电子激光器、化学气相激光器等。
五、应用领域1. 制造业：激光器在制造业中广泛应用，如激光切割、激光打标等。
2. 医疗领域：激光器在医疗领域中常用于手术、皮肤美容等。
3. 通信领域：激光器在通信领域中被用于传输信息。
4. 科学研究：激光器在科学研究中也有广泛的应用，如原子物理实验等。
六、发展趋势1. 激光器技术将继续发展，产生更高功率和更高质量的激光束。
2. 激光器应用领域将不断扩大，特别是在智能制造和高精度加工等方面。
3. 激光器将成为未来通信、医疗和科学实验的重要工具。
几种激光器的结构示意
几种激光器的结构示意
1.连续激光器：连续激光器包括长激光棒激光器，它包括了发射腔（蓝色），它设有折射器（紫色）和反射镜（绿色），发射腔内填入了激光活性源，它可以产生多模微弱的，有着同一波长的光束。
通过折射器和反射器产生的多模弱光束聚焦到了微粒活性源上。
微粒活性源内产生的激光辐射通过折射器和反射镜回到了发射腔中，从而得到不断增强的激光辐射。
2.瞬态激光器：瞬态激光器主要将诸如质子、氘离子等离子通过电场的影响，在真空腔中的聚焦调制，使离子中的电子迅速由原有的能级跃迁到下一能级，并同时释放出许多的光子，从而达到激发激光的效果，瞬态激光器的激光输出持续极短的时间，极高的能量，瞬态激光器的结构一般由一个真空腔和一组高压发生器组成，真空腔内装有可发射激光的离子源和能控制激光路径的反射镜，发射器外设置与腔体的电连接，高压发生器用于给该真空腔体提供必要的电压。
3.钝/硬激光器：钝/硬激光器为可调节激光源，原理是以热熔合或焊接的方式将激光材料（基体材料）和激光剂装入金属管中，经高温、高压作用，释放出紫外光，再经过一系列有折射镜和反射镜的发射腔。
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小信号调制
量子点激光器
激光器测试
大信号调制
原理
0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1
随机数字信号叠加形成眼图
量子点激光器
激光器测试
大信号调制
量子点激光器
量子点激光器的增益损耗机制
Γg= αtotal Γgmax[fc(Ith)-fv(Ith)]=αi+ln(1/R1R2)/2L
半导体激光器
半导体激光器
1310 nm量子阱激光器
半导体激光器
1.3Q InGaAsP well compressive 7913ppm
1.1Q InGaAsP barrier tensile 480ppm
量子点激光器
量子点
e h h e e h
e e h h
e h
e
h e h
e
h
体材料
量子点激光器
量子点制备
量子点激光器
量子点制备
量子点激光器
1.3微米InAs/GaAs量子点
材料 GaAs InAs Eg@300K 1.424 eV 0.354 eV 晶格常数 5.6533 A 6.0583 A
晶格失配度 =
aepi − asub asub
InAs/GaAs — 7.16%
1.55微米InAs/InGaAsP/InP量子点激光器
啁啾结构量子点激光器
量子点激光器
1.55微米InAs/InGaAsP/InP量子点
啁啾结构量子点激光器
量子点激光器
1.55微米InAs/InGaAsP/InP量子点
锁模量重复频率45.5GHz。
1.55微米InAs/InGaAsP/InP量子点
540oC
优化生长温度和淀 积量后得到高密度 单层量子点、以及
生长温度
荧光强度线性变化 510oC 而半高宽不变的叠 层量子点，有助于 4.4 ×1010 cm−2 470oC
1µm2
激光器增益的提高。
S. Luo et al Chin. Phys. Lett. Vol.30 No.6 2013
量子点激光器
激光器外延结构
Energy
量子点激光器
激光器外延结构
3.4 3.3 3.2 0
InAs QDs
0.5
Al0.4Ga0.6As
1
GaAs
2 Length (µm)
Al 0.4Ga0.6As
3
0.0
Nomarlized optical field intensity
3.5
Epitaxy direction
Optical Network Units
半导体激光器
PON（Passive Optical Network, 无源光网络）是光纤到户网络的主要技术。
国际电信联盟电信标准化部门 (ITU-T)
电气电子工程师协会 (IEEE)
EPON(Ethernet Passive Optical Network) GPON(Gigabit-capable Passive Optical Network)
485 oC
455 oC
425 oC
1 µm × 1 µm
量子点激光器
量子点激光器
激光器外延结构
p+ GaAs 200 nm p-Al0.4Ga0.6As 1.4 µm GaAs 30 nm GaAs 10 nm GaAs 5 nm (undoped/Be-doped ) GaAs 25 nm In0.17Ga0.83As 4 nm GaAs 70 nm n-Al0.4Ga0.6As 1.4 µm n+ GaAs buffer 300 nm n+ GaAs (100) substrate ×5
最大模式增益 载流子反转程度 内损耗 腔面损耗 量子点密度、 量子点均匀性、 波导结构 能级结构、 注入电流、 注入效率 ② 外延质量 腔长L、
腔面反射率R
①
③
④
量子点激光器
量子点激光器的增益损耗机制
J. Appl. Phys. 101, 013108 (2007)
量子点激光器
1.55微米InAs/InGaAsP/InP量子点
量子点激光器
1.3微米InAs/GaAs量子点
InAs QDs
1 µm × 1 µm (a)
(b)
量子点激光器
1.3微米InAs/GaAs量子点
Veeco GEN II分子束外延系统
量子点激光器
1.3微米InAs/GaAs量子点
量子点激光器
1.3微米InAs/GaAs量子点
原子力显微镜AFM
GaAs 100 nm InxGa1-xAs GaAs buffer GaAs (100) S.I. substrate
光致荧光谱PL
量子点激光器
2 µm × 2 µm
2.5 ML
2.25 ML
2.0 ML
量子点激光器
量子点激光器
2 µm × 2 µm
量子点激光器
InxGa1-xAs SRL
量子阱
量子线
量子点
量子点激光器
什么是“量子点”
载流子在纳米尺度空间受到三维限制 具有量子尺寸效应
1 µm × 1 µm
量子点激光器
什么是“量子点”
量子点激光器
什么是“量子点”
GaAs基
量子点激光器
InP基
量子阱激光器
Mitsuru Sugawara and Michael Usami, Nature Photonics 3, 30 (2009)
化合物半导体材料生长与表征 2016春季
半导体激光器生长与表征
半导体激光器
半导体芯片产业 集成电路IC（英特尔） LED（三安光电） 半导体激光器
半导体激光器
半导体激光器
半导体激光器
半导体激光芯片
0.8微米-1.1微米 泵浦 材料加工 激光显示
1.3、1.55微米 互联网通信 星地通信 空间通信
Refractive index
量子点激光器
激光器制作
量子点激光器
激光器制作
SEM 图像
量子点激光器
激光器测试
光功率-电流曲线
量子点激光器
激光器测试
量子点激光器
激光器测试
量子点激光器
激光器测试
量子点激光器
激光器测试
小信号调制
原理
∆S/ ∆I
量子点激光器
量子点激光器
1.55微米InAs/InGaAsP/InP量子点
AIXTRON 紧耦合喷淋MOCVD系统
量子点激光器
1.55微米InAs/InGaAsP/InP量子点
光致发光谱（PL） InAs/GaAs量子点 InAs/InP 量子点
20-35meV
100-120meV
Energy
量子点激光器
芯片
国外：Finisar，Avago，JDSU， Oclaro 国内：光迅科技，旭创科技， 华工正源，海信宽带，华为
器件 模块
半导体激光器
PON（Passive Optical Network, 无源光网络）是光纤到户网络的主要技术。
Optical Line Terminal
Optical Network Terminals
半导体激光器
PON optical spectrum / Wavelength Plan
半导体激光器
半导体激光器
半导体激光器
一、10G直调1260-1330nm DFB激光器 InAs/GaAs QD InGaAsP/InP QW AlGaInAs/InP QW 二、10G直调1550-1580nm DFB激光器 InAs/AlGaInAs/InP QD InGaAsP/InP QW AlGaInAs/InP QW
2 ML
InAs淀积量
2.7 ML
3.3 ML
量子点激光器
1.55微米InAs/InGaAsP/InP量子点激光器
量子点激光器
1.55微米InAs/InGaAsP/InP量子点激光器
量子点激光器
1.55微米InAs/InGaAsP/InP量子点激光器
啁啾结构量子点激光器
量子点激光器
1.4-1.8微米 瓦斯检测 工矿检测 激光成像 光纤传感
1.8-2.5微米 气体检测 激光手术 中红外泵浦 塑料加工
半导体激光器
Communications & optical storage
半导体激光器
光纤到户 Fiber-to-the-home (FTTH)
半导体激光器
云计算 Cloud Computing
半导体激光器
大数据Big Data/数据中心Data Center
半导体激光器
光互连
半导体激光器
自由空间光通信
半导体激光器
系统
半导体激光器
模块
半导体激光器
器件
半导体激光器
外延片和芯片
半导体激光器
通信波段半导体激光产业 国外：英国IQE，日本三菱、NEC
外延片
国内：海信宽带，光迅科技(低端) 联亚光电(台湾)