中國激光元部件市場分析 行業(yè)發(fā)展概況及技術(shù)分析

• 李芬珍子 2023年9月6日 來源：中研網(wǎng) 634 36
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中國激光元部件市場分析

一、激光元部件行業(yè)發(fā)展概況

激光器件光纖通信所需的光源，應(yīng)該是可高速調(diào)制的光源，以便載送大容量信息。如激光器和發(fā)光管。所謂“調(diào)制”就是按照所要傳輸?shù)男畔砀淖児獾膹?qiáng)度等，以承載信息。

光纖通信所需的光源，應(yīng)該是可高速調(diào)制的光源，以便載送大容量信息。如激光器和發(fā)光管。所謂“調(diào)制”就是按照所要傳輸?shù)男畔砀淖児獾膹?qiáng)度等，以承載信息。1960年邁曼(Maimen)發(fā)明紅寶石激光器。激光(Laser)與通常的光線的不同之處主要在于激光的光頻非常單純，具有線狀譜線，光學(xué)中稱為相干光，最適合做光纖通信的光源。相干光的特點(diǎn)是光能集中，是發(fā)散角很小，近似平行光。在紅寶石激光器發(fā)明后，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(xué)激光器;染料激光器等。其中半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的制造工藝十分復(fù)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(dǎo)體，再在上面光刻微米尺寸的光波導(dǎo)，其難度與光纖相比，有過之而無不及。于70年代末，室溫連續(xù)工作長壽命的半導(dǎo)體激光器終于制成。1976年，在美國亞特蘭大至華盛頓建立了世界上第一個(gè)實(shí)用化的光纖通信線路。此時(shí)半導(dǎo)體激光器尚未過關(guān)，光源是采用半導(dǎo)體發(fā)光管。在80年代初，單模光纖和激光器已經(jīng)成熟，從此光纖通信大容量的優(yōu)越性逐步得到發(fā)揮。

半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光，譜線很純，能量集中，光束很細(xì)，能高效率地射人芯直徑僅8微米的單模光纖中。當(dāng)今的高速光纖通信系統(tǒng)部采用半導(dǎo)體激光器做光源。

二、激光元部件行業(yè)技術(shù)分析

1、調(diào)制技術(shù)

激光是具有特殊性質(zhì)的光波，例如具有良好的相干性、單色性、方向性以及高亮度。與無線電相似，可以用來作為傳遞信息的載波。激光的頻率可達(dá)1013～1015Hz，因此可供利用的頻帶很寬，信息容量大。另外，光的波長短、傳遞速度快、具有獨(dú)立傳播特性，可以借助光學(xué)系統(tǒng)，把一個(gè)面上的二維信息以很高的分辨率瞬間傳遞到另一個(gè)面上，為二維并行光學(xué)信息處理提供條件。所以激光是傳遞信息(包括語言、文字、圖像、符號(hào)等)的理想光波。用激光作為信息的載體，需要解決如何將信息加載到激光上去的問題。例如用激光傳遞語音信號(hào)，需要將語音信息加載到激光，由激光“攜帶”信息通過一定的傳輸通道(大氣、光纖等)送到光電接收器，由接收器提取加載的語音信息，從而完成通話目的。這種將信息加載到激光的過程稱之為調(diào)制，完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器。其中，激光稱為載波，所要傳遞的信息稱為調(diào)制信號(hào)。

激光光波的電場強(qiáng)度是ec(t)=AccosΨ(t)=Accos(ωct+φc)式中，Ac為振幅，Ψ(t)=ωct+φc為總相角，ωc為角頻率，φc為相位角。因?yàn)榧す饩哂姓穹?、頻率、相位、強(qiáng)度等參量，所以如果使其某一參量按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，那么，激光就受到了信號(hào)的調(diào)制，達(dá)到“運(yùn)載”信息的目的。根據(jù)調(diào)制器與激光器的相對(duì)關(guān)系，可將激光調(diào)制分為兩類，即內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。按照調(diào)制器的工作機(jī)理來分類，主要有電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和直接調(diào)制(又可稱為電源調(diào)制)。內(nèi)調(diào)制是指在激光振蕩過程中加載調(diào)制信號(hào)，即以調(diào)制信號(hào)去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而使輸出的激光帶有要傳遞的信息。一種內(nèi)調(diào)制方式是用調(diào)制信號(hào)直接改變激光器泵浦電源的驅(qū)動(dòng)電流(例如注入式半導(dǎo)體激光器)，使輸出的激光強(qiáng)度受到調(diào)制(這種方式可稱為直接調(diào)制或電源調(diào)制，即對(duì)激光器的泵浦電源進(jìn)行調(diào)制)。還有一種內(nèi)調(diào)制方式是在激光諧振腔內(nèi)放置調(diào)制元件，用調(diào)制信號(hào)控制調(diào)制元件的物理特性變化，改變諧振腔的參數(shù)，從而改變激光器的輸出特性，例如調(diào)Q技術(shù)就屬于這種調(diào)制。內(nèi)調(diào)制具有小型化、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，目前主要用在光通信的注入式半導(dǎo)體激光中。外調(diào)制是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號(hào)改變調(diào)制器的物理特性，激光通過調(diào)制器后，光波的某參量受到調(diào)制，從而帶有要傳遞的信息。由于外調(diào)制的調(diào)整方便，而且對(duì)激光器沒有影響，另外，外調(diào)制方式不受半導(dǎo)體器件工作速率的限制，故它比內(nèi)調(diào)制速率高(約高一個(gè)數(shù)量級(jí))，調(diào)制帶寬要寬得多。內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制以及電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和直接調(diào)制的關(guān)系。激光調(diào)制器按其調(diào)制的對(duì)象可分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強(qiáng)度調(diào)制等。下面介紹這幾種調(diào)制的概念。

2、調(diào)Q技術(shù)

調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)均為改善激光器輸出性能的單元技術(shù)，是應(yīng)人類對(duì)高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的應(yīng)用需求而發(fā)展起來的。兩種技術(shù)壓縮脈寬的機(jī)理不同，因而壓縮的程度也不同。調(diào)Q技術(shù)可將激光脈寬壓縮至納秒量級(jí)(峰值功率達(dá)106W以上)，鎖模技術(shù)則可將激光脈寬進(jìn)一步壓縮至皮秒或飛秒量級(jí)(峰值功率達(dá)到1012W)。調(diào)Q技術(shù)也叫Q開關(guān)技術(shù)，是一種獲得高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的技術(shù)。通常，將這種高峰值功率的窄脈沖叫做巨脈沖。調(diào)Q技術(shù)最早出現(xiàn)于1962年，其誕生是激光發(fā)展史上的一個(gè)重要突破。在此之前，由于普通脈沖激光器輸出的弛豫振蕩，很難獲得峰值功率高而脈寬窄的激光脈沖。調(diào)Q技術(shù)的應(yīng)用，使能夠獲得峰值功率在兆瓦以上而脈寬僅為納秒量級(jí)的激光脈沖，使激光成為非常強(qiáng)的相干光源，并由此產(chǎn)生了非線性光學(xué)等新的光學(xué)分支。同時(shí)，也推動(dòng)了諸如激光雷達(dá)、激光測距、高速攝影、核聚變等應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

3、鎖模技術(shù)

采用腔倒空法(脈沖透射式調(diào)Q)可以獲得脈寬最窄的調(diào)Q脈沖。其脈沖寬度近似等于光在腔內(nèi)往返一次所需要的時(shí)間，即=2L/c(L為腔長，c為光速)。要壓窄脈寬，則必須縮短腔長，而腔長又受到器件輸出功率的限制。因此，從原理上講，采用調(diào)Q技術(shù)已無法獲得超短脈沖。必須從理論上探求一種新的壓縮脈寬的途徑。這就是本節(jié)要介紹的鎖模技術(shù)，也叫做超短脈沖技術(shù)。從1964年激光鎖模技術(shù)首次應(yīng)用于He-Ne激光器以來，超短脈沖技術(shù)獲得了快速的發(fā)展。鎖模激光脈沖的寬度已由皮秒(10-12s)量級(jí)壓縮至幾飛秒(10-15s)。按照鎖模的工作機(jī)理，實(shí)現(xiàn)鎖模的方法分為主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模、同步泵浦鎖模、自鎖模及碰撞鎖模等多種形式。主要介紹前四種。

1)主動(dòng)鎖模

主動(dòng)鎖模采用周期性調(diào)制諧腔參量的方法。根據(jù)被調(diào)制的參量是振幅或相位，又分為振幅調(diào)制(或損耗調(diào)制)鎖模和相位調(diào)制(或頻率調(diào)制)鎖模。主動(dòng)鎖模的基本原理是：在諧振腔中插入一個(gè)受外界信號(hào)控制的調(diào)制器，用一定的調(diào)制頻率周期性地改變腔內(nèi)振蕩模的振幅或相位。當(dāng)選擇調(diào)制頻率f等于縱模間隔Δνq時(shí)，對(duì)各個(gè)模的調(diào)制會(huì)產(chǎn)生邊頻，邊頻又與兩個(gè)相鄰縱模的頻率相一致，由此引起模之間的相互作用。若調(diào)制的強(qiáng)度足夠大，則使所有的振蕩模達(dá)到同步，形成重復(fù)頻率為c/2L的鎖模脈沖序列。主動(dòng)鎖模的實(shí)現(xiàn)多采用聲光或電光調(diào)制器。

2)被動(dòng)鎖模

被動(dòng)鎖模是將可飽和吸收體放在諧振腔內(nèi)加以實(shí)現(xiàn)的。其原理主要是利用可飽和吸收體的非線性吸收效應(yīng)。當(dāng)腔內(nèi)的光強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，可飽和吸收體對(duì)光的吸收達(dá)到飽和，透過率變?yōu)?00%。如此，使強(qiáng)度最大的激光脈沖受到最小的損耗，從而輸出很強(qiáng)的鎖模脈沖。被動(dòng)鎖模方法與被動(dòng)Q開關(guān)二者之間的區(qū)別主要表現(xiàn)在：被動(dòng)鎖模要求可飽和吸收體上能級(jí)的壽命非常短。有機(jī)染料是一種很合適的可飽和吸收體。

3)同步泵浦鎖模

鎖模既可以像主動(dòng)鎖模那樣通過周期性地調(diào)制諧振腔的損耗或光程來實(shí)現(xiàn)，

也可以通過周期性地調(diào)制諧振腔的增益來實(shí)現(xiàn)。通過周期性地調(diào)制諧振腔的增益實(shí)現(xiàn)鎖模的做法：用一臺(tái)主動(dòng)鎖模激光器的脈沖序列作為種子脈沖去泵浦另一臺(tái)激光器使其實(shí)現(xiàn)鎖模，稱之為同步泵浦鎖模。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于周期性泵浦時(shí)可以獲得比泵浦脈沖寬度窄得多的脈沖。如果同步泵浦染料激光器，則產(chǎn)生的超短脈沖的頻率在一定的波長范圍內(nèi)是連續(xù)可調(diào)的。

4、自鎖模

當(dāng)工作物質(zhì)自身的非線性效應(yīng)已能夠保持各個(gè)振蕩縱模頻率的等間隔分布且彼此之間有確定的初相位關(guān)系，不需要在諧振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元件即可實(shí)現(xiàn)鎖模，稱之為自鎖模。典型的自鎖模激光器——摻鈦藍(lán)寶石激光器，即是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

《2023年版激光產(chǎn)業(yè)規(guī)劃專項(xiàng)研究報(bào)告》由中研普華激光行業(yè)分析專家領(lǐng)銜撰寫，主要分析了激光行業(yè)的市場規(guī)模、發(fā)展現(xiàn)狀與投資前景，同時(shí)對(duì)激光行業(yè)的未來發(fā)展做出科學(xué)的趨勢預(yù)測和專業(yè)的激光行業(yè)數(shù)據(jù)分析，幫助客戶評(píng)估激光行業(yè)投資價(jià)值。

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