与半导体激光器比较
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理激光技术在现代科学和工业中起着至关重要的作用，而半导体激光器是其中一种常用的激光器类型。
它通过半导体材料的特殊性质来产生激光光束。
本文将详细介绍半导体激光器的工作原理。
一、激光的基本原理要了解半导体激光器的工作原理，首先需要了解激光的基本原理。
激光是一种特殊的光，与普通的自然光有很大区别。
激光光束具有相干性、单色性和聚焦性等特点，这些特征使得激光在各个领域有广泛的应用。
激光的产生是通过光子的受激辐射过程实现的。
在光学腔中，光子通过与激发状态的原子或分子发生相互作用，被吸收并获得能量。
然后，这些激发的原子或分子会受到外界刺激，由高能级跃迁到低能级，释放出原子或分子的“多余”能量。
这些能量会以光子的形式，经过光放大器的反射和反射，最后通过激光器的输出窗口发出。
这样就形成了一束特殊的激光光束。
二、半导体激光器的结构半导体激光器是利用半导体材料的特性来产生激光的器件。
它的主要结构由正、负型半导体材料组成，通常是p型和n型半导体，中间夹层为n型材料。
具体来说，半导体激光器一般由以下几个关键部分构成：1. 激活层（active layer）：激活层是半导体激光器的核心部分，也是激光的产生和放大的地方。
它由两种半导体材料之间的异质结构构成，通常是由n型和p型材料组成。
当外加电流通过激活层时，会在激活层中产生载流子（电子和空穴）。
2. 波导层（waveguide layer）：波导层是指导激光光束传播的部分，其材料的折射率通常比周围材料低。
通过选择合适的波导层结构，可以实现激光束的单模（TEM00）输出。
3. 管腔（cavity）：管腔是激光器中的一个重要元件，它由两个高反射率镜片构成，将光线限制在波导层中，形成光学腔。
其中一个是部分透射的输出镜，另一个是全反射的输出镜。
管腔的长度决定了激光的波长。
4. 电极（electrodes）：电极主要用于施加电场，控制激光器的开启和关闭。
它们通常位于激光器的两端，通过外接电源提供正向或反向偏置电压。
激光器的分类介绍
激光器的分类介绍实际应用的激光器种类很多，如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激光器、液体激光器、固定激光器、半导体激光器、化学激光器等。
在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。
如固体激光器中有红宝石激光器、钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器。
气体型的激光器主要有He-Ne（氦－氖）、CO2及氩离子激光器等。
由于工作物质不同，产生不同波长的光波不同，因而应用范围也不相同。
最常用而范围广的有CO2laser及Nd：YAG激光。
有的激光器可连续工作，如He-Ne laser；有的以脉冲形式发光工作。
如红宝石激光。
而另一些激光器既可连续工作，又可以脉冲工作的有CO2laser及Nd：YAG laser。
（一）固体激光器实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质（即含有亚稳态能级的工作物质）。
如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器，分别称为晶体激光器和玻璃激光器，通常把这两类激光器统称为固体激光器。
在激光器中以固体激光器发展最早，这种激光器体积小，输出功率大，应用方便。
由于工作物质很复杂，造价高。
当今用于固体激光器的物质主要有三种：掺钕铝石榴石（Nd：YAG）工作物质，输出的波长为1.06μm呈白蓝色光；钕玻璃工作物质，输出波长 1.06μm呈紫蓝色光；红宝石工作物质，输出波长为694.3nm，为红色光。
主要用光泵的作用，产生光放大，发出激光，即光激励工作物质。
固定激光器的结构由三个主要部分组成：工作物质，光学谐振腔、激励源。
聚光腔是使光源发出的光都会聚于工作物质上。
工作物质吸收足够大的光能，激发大量的粒子，促成粒子数反转。
当增益大于谐振腔内的损耗时产生腔内振荡并由部分反射镜一端输出一束激光。
工作物质有2条主要作用：一是产生光；二是作为介质传播光束。
因此，不管哪一种激光器，对其发光性质及光学性质都有一定要求。
（二）气体激光器工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体，有的物质在通常条件下是液体（如非金属粒子的有水、汞），及固体（如金属离子结构的铜，镉等粒子），经过加热使其变为蒸气，利用这类蒸气作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。
通信光电子基础第四讲半导体激光器件基础知识
.
Free Electron Si
P型半导体（C）
将3价原子（硼、镍、铟等 ）掺入本征半导体中， 则 将多余出空穴数目，形成p 型半导体。空穴为主要载流 子，电子为次要载流子。 因为3价原子可以提供接纳 电子的空穴，故称为受主杂 质（Acceptor impurity). 它的费米能级EF下降到价带 之中，因此价带顶部与导带 都是空穴、EF之下的价带才 充满电子。
(5.2 10)
111 mr mv mc
(5.2 11)
mr 减小的有效质量
d k dk,
mr
1
k
(
Eg
)
1 2
2mr 2
2
由 (15.1 5)式
(k )dk
k 2V 2
dk
可得，
(k)dk ＝ V
k2 2
dk＝
mr
k
d ,
(0
)＝
0
(
E
g
)
1 2
2mr 2
1
2
mr20 T2 fc () fv () 24n2 1＋ 0 2 T22
本征半导体（A）
本征半导体的能级图。上园弧线表示 导带—上能级(EC) 、下弧线表示价带 —下能级(EV)。当本征本导体温度为0 K时，其费米能级EF处在导带与价带的 中间。这意味着EF以下的价带被电子 占满故也称为满带，而EF以上的导带 都是空的没有被电子填充。本征半导 体内部电子密度与空穴密度相等。 最理想的本征半导体是由一种物质的 原子组成的纯净物，如硅、锗等。化 合物GaAs也属于本征半导体。
被B asov、B ernard、Duraf f oug首次发现。
图5 6 在某一确定的抽运强度 N下， 典型的增益 (0 )频率关系曲线
半导体激光器和发光二极管
半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)
半导体光源的优点：
❖ 体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合 ❖ 发射波长适合在光纤中低损耗传输 ❖ 可以直接进行强度调制 ❖ 可靠性高
光 纤 通 信 系统
1
第2讲
一. 激光原理的基础知识
1、光的吸收和放大 1）能级和能带
2）能级的光跃迁 3）光的吸收和放大
(1) 边发射结构
这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上 面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光 。
(2) 面发射结构
这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平 腔和垂直腔结构。
光 纤 通 信 系统
29
第2讲
结构特点: 1) 发射方向垂直于或倾斜于PN结平面 2) 形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和 向上弯腔型激光器。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是 面发射激光器中最有前途的一种激光器 .
光 纤 通 信 系统
该能级被电子占据概率等于50％
该能级被电子占据概率大于50％ 该能级被电子占据概率小于50％
11
第2讲
各种半导体中电子的统计分布
本征半导体 P型半导体 N型半导体
兼并型P型半导体 兼并型N型半导体 双兼并型半导体
光 纤 通 信 系统
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第2讲
导带
禁带
Ef
价带
(a) 本征半导体
要APC • 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频率 • 易集成，低价格，高产量
光 纤 通 信 系统
32
第2讲
2、量子阱激光器
结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄
半导体激光器和光纤激光器的区别
一、半导体激光器工作原理半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。
半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：1、要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；2、有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；3、要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。
二、半导体激光器和光纤激光器一样吗半导体激光器和光纤激光器是不一样的。
1、介质材料不同光纤激光器和半导体激光器的区别就是他们发射激光的介质材料不同。
光纤激光器使用的增益介质是光纤，半导体激光器使用的增益介质是半导体材料，一般是砷化镓，铟镓申等。
2、发光机理不同半导体激光器的发光机理是粒子在导带和价带之间跃迁产生光子，因为是半导体，所以使用电激励即可，是直接的电光转换。
而光纤不能够直接实现电光转换，需要用光来泵浦增益介质（一般用激光二极管泵浦），它实现的是光光转换。
3、散热性能不同光纤激光器散热好，一般风冷即可。
半导体激光器受温度影响非常大，当功率较大时，需要水冷。
4、主要特性不同光纤激光器的主要特性是器件体积小，灵活。
激光输出谱线多，单色性好，调谐范围宽。
并且其性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗小。
转换效率高，激光阈值低。
光纤的几何形状具有很低的体积和表面积，再加上在单模状态下激光与泵浦可充分耦合。
半导体激光器易与其他半导体器件集成。
具有的特性是可直接电调制；易于与各种光电子器件实现光电子集成；体积小，重量轻；驱动功率和电流较低；效率高、工作寿命长；与半导体制造技术兼容；可大批量生产。
5、应用不同光纤激光器主要应用于激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等等。
激光器的常用指标及半导体激光器
一、激光器的常用性能指标1、激光器的门限电流与功率输出激光的输出光功率与驱动电流并不成直线比例关系。
在门限电流（或称阈值电流）以下，激光器工作于自发射，输出光功率极小，在门限电流以上，激光器工作于受激发射、输出激光、功率随电流的增大而上升，基本上成直线对应关系，在实际应用中，我们要求门限电流越小越好。
激光器功率特性的线性程度对模拟光纤传输系统的非线性失真指标影响很大。
2、激光器的调制增益激光器的调制增益是指输出光功率与输入射频驱动电流的比值，如0.42mW/mA，表示输入驱动电流1mA，输出0.42mW的光功率，调制增益一般越大越好。
3、激光器的相对强度噪声RIN激光器的相对强度噪声定义为单位频带宽度中噪声与输出光强的比值。
常用dB/HZ 作单位，激光器的噪声主要来源于激光器内光子涨落的量子噪声，相对强度噪声是描述激光器量子噪声特性的参数，我们希望它越小越好。
4、激光器的线性范围激光器的线性范围指激光器能线性工作的最大范围，通常它越大越好，我们可以用饱和电流(即激光器输出饱和时对应的激励电流，当激励电流超过饱和电流时，再加大激励，也不能使输出光功率增加，这时可能会造成激光器的损坏)与阈值电流之差来近似的代表其线性范围，实际上在线性范围内，激光器的输出光功率随注入电流变化的曲线，也不是绝对的直线，我们总是希望它尽量接近直线，使其非线性失真指标尽可能小，当温度升高时，阈值电流以1%—2%/ ºC的速度增大，而饱和电流则相应降低，使激光器的线性范围减小，因此在激光器内部要加温控装置，保持其工作稳定。
5、带内平坦度普封装的激光器由于引线电感等分布参数的影响，频率响应并不理想，一般为±1dB （750MHZ带宽），在CATV领域，激光器的封装形式一般为蝶形封装，这种封装引线最短。
6、激光器的温度特性激光器的特性对温度相当敏感，随着结温的升高，其输出功率将降低，当结温过高时，其输出功率将急剧减小，甚至损坏激光器，另外，随着结温的升高，其门限电流也将增大，噪声增加，波长变化。
各功率激光的特点.
常见激光技术总结目前常见的激光器按工作介质分气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器和染料激光器5大类，近来还发展了自由电子激光器。
大功率激光器通常都脉冲方式输出已获得较大的峰值功率。
单脉冲激光指的是几分钟才输出一个脉冲的激光，重频激光指的是每分钟输出几次到每秒输出数百次甚至更高的激光。
一、气体激光器1.He-Ne激光器：典型的惰性气体原子激光器，输出连续光，谱线有632.8nm（最常用），1015nm，3390nm，近来又向短波延伸。
这种激光器输出地功率最大能达到1W，但光束质量很好，主要用于精密测量，检测，准直，导向，水中照明，信息处理，医疗及光学研究等方面。
2.Ar离子激光器：典型的惰性气体离子激光器，是利用气体放电试管内氩原子电离并激发，在离子激发态能级间实现粒子数反转而产生激光。
它发射的激光谱线在可见光和紫外区域，在可见光区它是输出连续功率最高的器件，商品化的最高也达30-50W。
它的能量转换率最高可达0.6%，频率稳定度在3E-11，寿命超过1000h，光谱在蓝绿波段（488/514.5），功率大，主要用于拉曼光谱、泵浦染料激光、全息、非线性光学等研究领域以及医疗诊断、打印分色、计量测定材料加工及信息处理等方面。
3.CO2激光器：波长为9~12um（典型波长10.6um）的CO2激光器因其效率高，光束质量好，功率范围大（几瓦之几万瓦），既能连续又能脉冲等多优点成为气体激光器中最重要的，用途最广泛的一种激光器。
主要用于材料加工，科学研究，检测国防等方面。
常用形式有：封离型纵向电激励二氧化碳激光器、TEA二氧化碳激光器、轴快流高功率二氧化碳激光器、横流高功率二氧化碳激光器。
4.N2分子激光器：气体激光器，输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦，脉宽小于10ns，重复频率为数十至数千赫，作可调谐燃料激光器的泵浦源，也可用于荧光分析，检测污染等方面。
5.准分子激光器：以准分子为工作物质的一类气体激光器件。
半导体激光器与氦氖激光器的比较
半导体激光器与氦氖激光器的比较
本文简述了氦氖激光器与半导体激光的优缺点，希望对不同的应用者在选择激光器时产生一点帮助。
）的激光输出功率会随其壳体的温度变化而有较大变化。
下图为一个典型
在一定工艺的保证下，高质量
的氦氖激光器具有良好的输出功率
稳定性和极低的激光噪声水平，并
且激光参数受环境温度影响非常
小。
以Melles Griot公司25-LHP
对于指示或对准等应用，即对激光功率稳定性及激光噪声要求不高的应用，不带温控的半导体激光器模块因其低廉的价格而被大量使用。
或对激光功率稳定性及激光噪声要求较高的应用，一般均采用带温控的半导体激光器。
另外，温控对于延长半导体激光器的寿命有很大的帮助。
的发出的激光束的发散角非常大，且两个方向的发散角不同（如下图1），所以绝大多数半导体激光模块都要对半导体激光管发出的激光进行光束整形。
半导体激光器模块的最终光束整形的效果要视各家公司的光学设计能力有很大的不同。
只经过简单整形的半导体激光器模块，由于两个方向发散角的差别，激光光斑一般会成椭圆形，且在
拥有实力强大的光学设计队伍，其56RCS系列半导体激光器光斑远场圆度均大
1 2 3
半导体激光器可以进行高速的数字及模拟调制。
以Melles Griot公司 56RCS系列半导体激
调制）可达350MHz，上升沿下降延时间均小于1个纳秒，过冲小。
而且半导体激光的输出功率可以通过对输入电流的控制或模拟调
半导体激光器对比于氦氖激光器的主要优势在于：
1、价格便宜，
2、体积小；
3、可以做高速调制，
4、功率可以很方便的进行各种调制，
控。
CO2,光纤,半导体激光打标机的区别
激光打标机别名激光打码机、激光喷码机、激光标记机、激光刻字机、激光打号机、金属激光打标机、光纤激光打标机、半导体激光打标机、yag激光打标机。
几种激光打标机的区别一：Co2激光打标机目前的co2激光打标机一般都是采用的进口co2射频激光管，其使用寿命可达2-4万小时，该款机型最快打标速度可达7000mm/s。
co2激光打标机适合在绝大多数的非金属材质上打标，例如纸质包装、塑料制品、皮革面料、玻璃陶瓷等。
随着技术的升级，程光激光公司研发出10w便携式co2激光打标机，该机最大的特点是突破了传统co2激光打标机体积过于庞大的缺点，能方便的集成在各类生产线上，设备虽然体积减小了，但是功能上完全没有任何损失。
二：半导体侧泵激光打标机半导体激光器都是采用一体化模块设计，替代了Y AG激光打标机的氪灯，从而避免了要频繁更换氪灯的缺点，模块化的设计也就意味着这款机型的故障更少，维护也更加的方便，半导体激光打标机的光模质量更好，适合在各类金属与非金属上打标，例如塑料、手机按键、不锈钢等。
三：半导体端泵激光打标机半导体端泵激光打标机按照激光波长可以分为三种，1024nm红外激光打标机、532绿光激光打标机、355紫外激光打标机。
目前市面上流行的是绿光激光打标机与紫外激光打标机，以下是这两款激光打标机的简单介绍。
1、532绿光激光打标机绿光激光打标机适合于对热效应敏感的材料进行打标，因为532的波长决定了绿激光是一种相对的“冷激光”。
之所以说相对，是指相对于co2激光打标机、半导体激光打标机、光纤激光打标机来说绿激光热辐射效应更小。
532绿光激光打标机最典型的应用就是在水晶的表面雕刻与内雕。
2、355紫外激光打标机紫外激光打标机配置紫外激光器，进口高速扫描振镜系统等。
由于紫外激光打标机聚焦光斑极小，紫外激光是真正意义上的冷激光，热效应非常小，因而紫外激光打标机可以进行超精细打标、特殊材料打标，紫外激光打标机是对打标效果有更高要求的客户首选产品。
光纤激光器,灯泵浦和半导体激光器(三者比较)
光纤打标机和半导体及灯泵浦激光打标机三者主要性能比较武汉百一机电工程有限公司光纤激光打标机与灯泵浦激光器性能对比光纤激光打标机设备型号及性能“武汉百一”的BY-YLP光纤激光打标机在激光打标应用方面具有许多独特的优势。
与传统的固体激光器使用晶体棒作为激光介质不同，光纤激光器的激光介质是很长的掺镱双包层光纤，并被高功率多模激光二极管所泵浦。
BY-YLP系列光纤激光打标机使用特点1、光束质量极好，适用于精密、精细打标BY-YLP系列光纤激光打标机光束质量比传统的灯泵浦固体激光打标机好得多，为基模（TEM00）输出，发散角是灯泵浦激光器的1/4。
尤其适用于要求高的精密、精细打标。
2、体积小巧、搬运方便、实现便携化BY-YLP采用光纤传输，由于光纤具有极好的柔绕性，激光器设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小。
其重量和占地面积分别是灯泵浦泵浦激光打标机的1/10和1/4，节省空间，便于搬运。
且采用光纤传输决定了其能适应加工地点经常变换的要求，实现产品的便携化。
3、激光输出功率稳定、设备可靠性高能量波动低于2%，确保激光打标质量的稳定；平均无故障使用时间可达10万小时以上，灯泵浦激光打标机的氪灯的使用寿命在800小时左右。
4、效率高、能耗低、节省使用成本电光转换效率为30%（灯泵浦激光打标机为3%），设备功率仅500－1000W，日均耗电10度，是灯泵浦激光打标机的1/10左右，长期使用可为用户节省大量的能耗支出。
5、自主知识产权的操作软件，操作简便、功能强大可以标刻矢量式图形、文字、条形码、二维码等，可升级实现在线打标，自动打标日期、班次、批号、序列号，支持PLT、PCX、DXF、BMP等文件格式，直接使用SHX、TTF字库。
激光打标机系统组成BY-YLP型光纤激光打标机主要由四部分组成，即：进口光纤激光器、光路及振镜扫描系统、计算机控制系统及工作台。
1、光纤激光器光纤激光器一体化整体结构，无光学污染、无功率的耦合损失，结构小巧紧凑，空气冷却，具有其他激光器不具备的高效率和可靠性。
有关半导体激光器和光纤激光器
半导体激光器和光纤激光器1916年，爱因斯坦提出受激辐射的概念，1940年有人在研究气体放电试验中，观察到粒子束反转，而谐振腔的引入归功于肖洛，他从法—珀干涉仪那里得到启示，1958年他提出有关激光的设想，1959年9月召开的第一次国际量子电子会议上，肖洛提出了用红宝石作为激光的工作物质并描述了激光器的结构，但他没有获得足够的光能量使粒子束反转，科学叫梅曼丽用氙灯作光抽运解决了这个问题。
1960年6月，梅曼成功操作了一台激光器，7月他用红宝石制成的激光器被公布，世界上第一台激光器就产生了。
半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。
在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。
1962年师哈尔（Hall）]制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功，20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。
半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，降低了阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。
1970年，实现了激光波长为9000Å室温连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼铝砷)激光器，双异质结激光器(DHL)的诞生使可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs二极管激光器. 1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能，量子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具有阑值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。
半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广。
激光分类与波长
激光分类与波长激光是一种具有高度聚焦能力和单色性的光源，广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
根据激光器所发射的光波长的不同，可以将激光分为多种类型。
本文将介绍几种常见的激光分类以及它们对应的波长范围。
1. 气体激光器气体激光器是一种利用气体放电产生激光的装置。
根据不同的气体种类，气体激光器可以分为氦氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器等。
其中，氦氖激光器的波长范围大约在632.8纳米，主要用于医疗、教学和展示等领域；二氧化碳激光器的波长范围在10.6微米，适用于材料切割、焊接等工业应用；氩离子激光器的波长范围在488至514纳米，主要用于激光打印和医学研究等领域。
2. 固体激光器固体激光器是一种使用固体材料作为激发介质的激光器。
常见的固体激光器有钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石激光器等。
钕玻璃激光器的波长范围在1053纳米，常用于军事、科研和医学领域；掺钕钇铝石榴石激光器的波长范围在1064纳米，主要应用于材料加工、激光雷达等领域。
3. 半导体激光器半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件。
它具有体积小、功耗低、寿命长等优点，被广泛应用于光通信、激光打印、激光医疗等领域。
半导体激光器的波长范围与具体的材料有关，常见的波长有650纳米、780纳米、850纳米、980纳米等。
4. 光纤激光器光纤激光器是一种将激光通过光纤传输的激光器。
它具有灵活性高、传输距离远等优点，被广泛应用于光通信、材料加工等领域。
光纤激光器的波长范围也与具体的激光器有关，常见的波长有1064纳米、1550纳米等。
除了以上几种常见的激光器类型，还有许多其他类型的激光器，如色心激光器、自由电子激光器等。
它们的波长范围也各不相同，适用于不同的应用领域。
总结起来，激光器根据波长的不同可以分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和光纤激光器等多种类型。
每种类型的激光器都有其独特的波长范围和应用领域。
了解不同类型的激光器以及它们的波长特性，有助于我们更好地选择和应用激光技术。
灯泵浦激光器与半导体泵浦激光器比较
能量 更集 中 ，取得更 好的标 记效果 。
（ ） 积 小 ．重 量 轻 ４体
命 ， 采 用 了 预 燃 加 开 关 变 频 控 制 技 术 ，即 在 保 证 发 光
管 ： 受 电 流 不 中击 的 前 提 下 ，根 据 工 作 量 和 强 度 ， 最 大
半 导 体 激 光 模 块 本 身 体 积 小 巧 ， 加 上 其 激 光 模 式 好 ， 因 此 半 导 体 泵 浦 激 光 器 的 体 积 比 灯 泵 浦 激 光 器 的 体 积 小 近 三 分 之 二 。 半 导 体 泵 浦 激 光 器 产 生 废 热 少 ，所 需 冷 却 系 统 小 ， 一 般 只 需 一 匹 的 冷 水 机 即 可 ，灯 泵 浦 激 光 器 一 般 都 需 要 ３ 以 上 的 冷 水 机 ， 同 匹 时 需 要 较 大 水 泵 以 提 供 较 大 的 冷 却 水 流 。 因 此 其 运 行 灯 泵 浦 激 光 标 记 机 的 运 行 噪 音 较 大 ， 同 时 庞 大 的 冷 水 机 会 产 生 更 多 的 热 量 ，尤 其 在 南 方 夏 季 ， 环 境 气 温 较 高 ， 这 些 多 余 的 热 量 会 使 工 人 的 工 作 环 境 更 恶 劣 ， 或 者 需 要 更 多 的 空 调 系 统 来 调 节 工 作 环 魇 的 温 度 ，增 大 了 生 产 成 本 。 使 用 半 导 体 激 光 器 比 采 用 灯 泵 浦 激 光 器 ， 虽 然
由 于 半 导 体 泵 浦 的 转 换 效 率 高 ， 模 式 好 ， 更 易 聚
焦 出 高 能 量 的 更 ／ 面 积 的 光 点 ，标 记 同 样 的 物 体 时 ， ＿ ｌ ＼
其 所 需 的 外 部 能 量 会 更 小 。 同 日 其 产 生 的 废 热 也 远 远 寸 小 于 灯 泵 浦 激 光 器 ，决 定 了 其 不 需 要 灯 泵 浦 激 光 器 那 样 庞 大 的 冷 却 系 统 。 所 以 半 导 体 泵 浦 的 激 光 器 系 统 的 功 耗 比 灯 泵 浦 Ｊ 得 多 。 一 个 ５ ｗ的 灯 泵 浦 激 光 打 标 ＿ ｌ ＼ ０ 机 的 功 耗 在 ６ ｗ左 右 ， 而 一 个 ５ ｗ半 导 体 激 光 标 记 机 ｋ Ｏ
第1章-典型激光器简介-续分解
• 平坦的EF段。该区域的特点是电流增加,但管压降几乎保 持不变,放电管内出现明暗相间的辉光,称之为正常辉光放 电。辉光放电阶段,由于二次发射的电子随电场的增加而迅 速增加,故当放电管端电压略有增加时,放电电流就增大很 多。辉光放电的电流范围一般在10-4～10-1 A之间
染料激光器主要应用于科学研究、医学等领域,如激光光 谱学、光化学、同位素分离、光生物学等方面。
1966年,世界上第一台染料激光器——由红宝石激光器泵 浦的氯铝钛花青染料激光器问世。
4）半导体激光器
半导体激光器也称为半导体激光二极管，或简称激光二极管 (LaserDiod，缩写LD)。由于半导体材料本身物质结构的特 异性以及半导体材料中电子运动规律的特殊性，使半导体 激光器的工作特性有其特殊性。
• 分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁 发生在气体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有 CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2 等分子气体。分子激光 器的典型代表是CO2 激光器。
• 准分子激光器。所谓准分子,是一种在基态离解为原子而在激 发态暂时结合成分子(寿命很短)的不稳定缔合物,激光跃迁产 生于其束缚态和自由态之间。采用的准分子气体主要有XeF* 、KrF* 、ArF* 、XeCl* 、XeBr* 等。其典型代表为XeF* 准 分子激光器。
• 半导体激光器广泛应用于光纤通信、光存储、光信息处 理、科研、医疗等领域,如激光光盘、激光高速印刷、全 息照相、办公自动化、激光准直及激光医疗等方面。
• 1962年,世界上第一台半导体激光器———GaAs激光器 问世。
5）化学激光器 化学激光器是通过化学反应实现粒子数反转从而产生受激光 辐射的。工作物质可以是气体或液体,但目前主要是气体,如 氟化氢(HF)、氟化氚(DF)、氧碘(COIL)等。
医学中常用的激光器
医学中常用的激光器自第一台激光器问世后，人们对激光器件及技术进行了大量的研制工作，取得了相当可观的成果。
目前能实现激光运转的工作物质达数百种以上，大体上分为气体、固体、半导体、染料等几大类。
人们在探索激光产生机理的同时，扩展了激光的频谱范围，几千条谱线遍布于真空紫外到远红外的广阔光谱区域。
激光方向性好、强度大，可以使被照物体在1/1000s内产生几千度的高温，瞬间发生汽化。
由于激光的物理特性决定了其具有明显的生物学效应，。
各种不同的激光具有不同的特性和组织效应，正确认识激光的这些特点，是选择和合理利用激光的基础。
一．气体激光器气体激光器，按工作物质的性质，大致可分成下列三种：(1)原子激光器：利用原子跃迁产生激光振荡，以氦氖激光器为代表。
氩、氪、氙等惰性气体，铜、镉、汞等金属蒸气，氯、溴、碘等卤素，它们的原子均能产生激光。
原子激光器的输出谱线在可见和红外波段，典型输出功率为10毫瓦数量级。
(2)分子激光器：利用分子振动或转动状态的变化产生辐射制成的，输出的激光是分子的振转光谱。
分子激光器以二氧化碳(CO2)激光器为代表，其他还有氢分子(H2)，氮分子(N2)和一氧化碳(CO)分子等激光器。
分子激光器的输出光谱大多在近红外和远红外波段，输出功率从数十瓦到数万瓦。
(3)离子激光器：这类激光器的激活介质是离子，由被激发的离子产生激光放大作用，如氩离子(激活介质为Ar＋)激光器。
氦镉激光器(激活介质为Cd＋)等。
离子激光器的输出光谱大多在可见光和紫外波段，输出功率从几毫瓦到几十瓦。
气体激光器是覆盖波谱范围最广的一类器件，能产生连续输出。
其方向性、单色性也比其他类型器件好，加之制造方便、成本低、可靠性高，因此成为目前应用最广的一类器体。
1、氦氖激光器氦氖激光器能输出波长为632.8nm的可见光，具有连续输出的特性。
它的光束质量很好(发散角小，单色性好，单色亮度大)。
激光器结构简单，成本低，但输出功率较小。
激光器的增益介质特性与光波输出功率关系分析
激光器的增益介质特性与光波输出功率关系分析激光器作为一种重要的光学器件，广泛应用于科研、工业制造等领域。
而激光器的增益介质特性与光波输出功率之间的关系对于激光器设计和优化具有重要意义。
本文将从增益介质的特性以及其与光波输出功率之间的关系展开论述。
首先，我们来介绍一下激光器的增益介质。
增益介质是激光器中的一个关键组件，它能够对光波进行放大，从而产生激光输出。
常见的增益介质包括气体、固体和半导体等。
每种增益介质的特性不同，影响着激光器的输出功率。
在气体激光器中，常用的增益介质有二氧化碳、氦氖等。
其中，二氧化碳激光器在工业领域具有广泛应用，其增益介质CO2分子具有三个谐振频率，可以产生多个工作波长。
而氦氖激光器则可以产生可见光激光，对于显示技术等领域有着重要意义。
增益介质的选择与激光器的工作波长、输出功率等参数有关，需要根据具体应用需求进行调整。
在固体激光器中，常见的增益介质有Nd:YAG（钕掺杂钇铝石榴石）、Ti:sapphire（钛宝石）等。
这些增益介质以固体形式存在，具有较高的热导率和抗光学损伤性能。
尤其是Nd:YAG激光器，由于钕离子在激光器中的级跃能级结构，能够实现高能量、高功率激光输出。
而Ti:sapphire激光器则可调谐波长范围广、脉宽短，广泛应用于超快激光技术等领域。
而在半导体激光器中，增益介质常为半导体材料，如GaN（氮化镓）、InP（磷化铟）等。
半导体激光器具有体积小、功耗低、寿命长等优势，广泛应用于通信、显示等领域。
近年来，随着半导体材料研究的不断进展，半导体激光器在功率和效率方面得到了显著提高。
增益介质的特性直接影响着激光器的输出功率。
其首先表现在增益特性上。
增益介质具有某个特定波长的吸收带，当输入波长与吸收带相符时，增益介质将吸收能量并将其转换为激光输出。
因此，增益介质的带宽和增益特性决定了激光器的工作波长范围和输出功率。
此外，增益介质的储能时间也会对激光器的输出功率产生影响。
激光的分类和特点
激光的分类和特点全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：激光是一种光的形式，其特点是具有高度一致的频率和波长，能够聚焦到很小的点、进行高精度测量和切割。
激光被广泛应用于医疗、通信、制造等领域。
根据激光器件的工作原理和输出波长不同，激光可以分为几种不同的类型，其中最常见的包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器和光纤激光器等。
首先是气体激光器，它的工作原理是通过将气体充入激光腔中，并在气体中通过放电或抽运的方式产生激光。
气体激光器可以产生大约几十纳米到一米波长范围内的激光。
其中最常见的是CO2激光器，其波长为10.6微米，被广泛应用于切割、雕刻等领域。
另一种常见的激光类型是固体激光器，其工作原理是通过将固体激活物质放置在激光腔中，通过外部能量激活激光器件，并产生激光。
固体激光器的输出波长范围广泛，可以覆盖可见光、红外光等。
常见的固体激光器包括Nd:YAG激光器、Ruby激光器等。
与气体激光器和固体激光器的较低效率相比，半导体激光器具有更高的效率和更小的尺寸。
其工作原理是通过在半导体材料中注入电子和空穴，产生电子与空穴元激子并发射激光。
半导体激光器广泛应用于光通信、激光打印、激光显示等领域。
常见的半导体激光器包括LD激光器、LED激光器等。
最后是光纤激光器，其特点是激光的传播通过光纤，具有高度的方向性和稳定性，适用于远距离通信和雷达系统。
光纤激光器常用的波长包括1μm、1.5μm等。
光纤激光器在通信、激光加工等领域得到广泛应用。
不同类型的激光器具有各自独特的特点和应用领域。
在未来，随着激光技术的不断发展和创新，激光技术将在更多领域得到应用，为人类创造更多美好的未来。
第二篇示例：激光是一种高度聚焦的光束，具有高强度、单色性和相干性等特点。
根据激光器的工作原理和参数，可以将激光分为不同的类别。
本文将对激光的分类和特点进行详细介绍。
激光可以根据不同的激射介质和工作原理进行分类。
常见的激光器包括气体激光、固体激光、半导体激光和光纤激光等。
几种常见的光放大器的比较
对几类放大器的认识在DWDM系统中，特别是超远距离的传输中，由于不可避免的存在光纤信号功率的损失和衰减，所以补偿是必要的。
现在常用的放大器有掺铒光纤放大器（EDFA）,拉曼放大器（FRA），半导体激光放大器（SOA），光纤参量放大器（OPA）。
现就这几类放大器的工作原理和特殊情况做一下说明。
1）掺铒光纤放大器（EDFA）EDFA（Erbiur Doped Fiber Amplifer）是光纤放大器中具有代表性的一种。
由于EDFA 工作波长为1550nm，与光纤的低损耗波段一致且其技术已比较成熟，所以得到广泛应用。
掺铒光纤是EDFA的核心原件，它以石英光纤作基质材料，并在其纤芯中掺入一定比例的稀土原素铒离子（Er3+）。
当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级，由于Er3+在高能级上寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较高能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。
由于这两个能级之间的能量差正好等于1550nm光子的能量，所以只能发生1550nm光的受激辐射，也只能放大1550nm的光信号。
EDFA的组成：工作原理图：那么，EDFA的输出公路车是如何控制的呢？一般来说,EDFA的输出功率与输入信号光强度，铒纤的长度以及泵浦光的强度。
在EDFA使用的过程中，一般要控制好EDFA的平坦增益，那么不平坦的增益和平坦增益有什么区别呢？平坦的输出增益会使EDFA放大的输出功率得到一个稳定的信号增益。
如何控制增益？增益的控制室有2种选择的，一种是掺金属元素，另外一种是GFF定制，所谓的掺金属元素是值得是掺杂金属铝元素。
有上图可以知道，掺铝的金属元素的EDFA在增益的控制上明显要比不掺铝的EDFA平坦的多。
需要注意的是：EDFA在放大信号的同时也放大了噪声，而噪声主要来自EDFA的自身受激辐射，是主要的噪声源，也是系统OSNR劣化的主要原因。
放大器产生的自发辐射噪声功率为：PASE = -58 + NF + G （dBm）其中NF为光放大器噪声系数（dB）、G为光放大器的增益（dB）除了放大功率之外，还有几个量也是EDFA中比较重要的，了解他们，有助于在EDFA 故障中的维护定位：作电流：也称作偏置电流，其决定着放大板的输出光功率。
激光器在医学上的应用
半导体激光器具有体积小、重量轻、成本低、寿命长、波长可选择、输出功率稳定、电源驱动系统简单等优点，特别适用于医疗设备，其临床应用几乎覆盖了所有其他类型的激光器的应用范围1眼科半导体激光器主要用于光凝和治疗眼底疾病。
低功率810nm近红外半导体激光器，由于该波长的激光穿透力强，屈光间质对其吸收最少，而且光斑直径可调节的范围较大,是眼科中最常用的热源,可用于治疗各种难治性青光眼、硅油注入术后难治性高眼压,以及视网膜的光凝和固定等。
美国IRIS、生产的810半导体激光系统，G探头。
可治疗青光眼2激光美容2.1激光脱毛在医学美容领域，激光的主要应用之一就是激光脱毛。
810nm半导体激光能够很好被毛囊内黑色素吸收，产生热效应，破坏毛囊，是激光脱毛的金标准。
目前，国际上的激光脱毛仪主要有美国Lumenis公司的Lightsheer脱毛仪、德国Asclepion—meditec激光技术公司的MeDioStarX 系列、以色列Alma公司的SoDranO XI系列脱毛仪等。
2.2除皱半导体激光在美容领域的另一个重要应用是皮肤重建手术，用于除皱、嫩肤。
Candela 公司研发的半导休激光治疗仪一Smooth Bea m，激光波长为1450nm，脉宽为210ms ，能量密度8J／cm2至25J／cm2，激光被真皮胶原组织中的水分吸收，产生热效应，刺激胶原蛋白的再生和重塑，使皮肤变得光滑细嫩，恢复弹性。
此外，Syneron Medical公司提出一种新的非消融性激光嫩肤技术——EIDS技术，把半导体激光(905nm±10nm) 与RF射频源相结合，半导体激光选择性作用于真皮胶原组织，产生热效应使其阻抗降低，促进射频能量进一步加热胶原组织，产生新的胶原质，抚平皱纹。
粉刺是最常见的一种皮肤疾病，在青少年人群中的发病率达80％以C a n d e l a 公司研发Smooth Beam激光治疗仪利用1450 nm半导体激光的选择性光热作用改善表皮下皮脂腺结构，配备动力冷却装置保护表皮，对脸、背部粉刺和癌疮愈合疤痕的治疗十分有效。
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Ith = I0 exp (K/K0)
Ith2 = Ith1 exp (K2-K1)/K0) 4). 相对强度噪声RIN 它定义为:相对输出光功率的变化的功率谱密度。 RIN 对光反射非常敏感 5). 频率啁啾
5.半导体激光器的瞬态性质
1)、瞬态现象:半导体激光器在进行直接调制时显示出来的现象。 （1）张弛振荡和电光延迟：固有的瞬态现象 （2）自脉动现象：内部不均匀所致
2)、量子阱激光器 结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体 激光器是一种窄带隙有源层夹在宽带隙半 导体材料中间或交替重叠生长，有源层厚 度小至德布罗意波长量级的新型半导体激 光二极管。 性能特点： 阈值电流低,输出功率高 谱线宽度窄，频率啁啾改善 调制速率高
3)、DFB激光器
外微分量子效率D：对应P－I特性中阈值以上的线性范围的斜率。
D = [ (Pex – Pth )/ h] / [(I - Ith ) / e0] [ Pex / h] / [(I - Ith ) / e0]
pex = D h(I - Ith ) / e0
3). 温度特性 随温度升高： 阈值电流增加 ,外微分量子效率下降, 峰值波长向 长波长方向移动
4.半导体激光器的基本性质
1). 阈值特性 2). 效率
功率效率P：定义为激光器输出光功率Pex与注入激光器的电功率Pin之比。 p = Pex / (VjI + I2Rs) 内量子效率i：定义为有源区里每秒钟产生的光子数与有源区里每秒钟注入的 电子-空穴对数之比。 i = Rr / (Rnr + Rr) 外量子效率ex：定义为激光器每秒钟实际输出的光子数与每秒钟外部注入的 电子－空穴对数之比。 ex = ( pex/h) / ( I/e0 ) 由于 h Eg e0V 因此 ex pex / IV
1.激光器的基础知识 1).能级的光跃迁: 受激辐射.受激吸收.自发辐射 光子的能量为hf N N , ( ) 0 2 1 2).吸收煤质
N2 e ( E 2 E1 ) / Kk 1 N1
放大煤质
N 2 N1 , ( ) 0
粒子数翻转分布，布居翻转 对应激光放大状态
2
1 2 sp
j j 1 j ( ) jth j 2 sp jth
2
1
1
sp ph
j
j jth ( ) jth j
[ ( 1)]1 / 2 sp ph jth
张弛振荡的衰减时间0 = 1/，与sp 同一数量级，并随注入电流的
模内色散 （intramodal dispersion） 材料色散 波导色散 偏振模色散 后三种色散类型统称为模内色散
3.光纤的模式理论
归一化频率 V = (2a/) (n12- n22)1/2
V < 2.405 HE11 基模
2.405＜∨＜3.832 HE11,TE01,TM01,HE21
光纤通信系统 总复习
一.光纤的传输理论
1. 基本的光纤和光缆的结构
基本结构: 纤芯（core）, 包层（cladding）,涂敷层 (jacket). 纤芯的折射率 略大于包层的折射率。 光纤材料：石英光纤, 塑料光纤
光纤的主要类型
basic type of Fiber
多模光纤: 阶跃折射率 . 渐变折射率 单模光纤:阶跃折射率 光纤的相对折射率 差: 最大群时延: 数值孔径:
3.832＜∨＜5.136 HE11,TE01,TM01,HE21 EH11,HE31,HE12
低次模的归一化传输常数随V的变化
阶跃折射率光纤: M=V2/2 渐变折射率光纤
M=V2/4
二.光源和光调制
半导体光源： 半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED) 半导体光源的优点： 体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合 发射波长适合在光纤中低损耗传输 可以直接进行强度调制 可靠性高
= ( n1 － n2) / n1
NA=
n1 2 － n2 2
=
n1
2
缆芯结构
光缆 的结构
层 绞 式
骨 架 式
大 束 管 式
带 式
外护层结构分类
无铠装光缆
皱纹钢带装防蚁光缆
PE：聚乙烯 PSP：聚乙烯-钢-聚乙烯
皱纹钢带铠装光缆
PAP：聚乙烯- 铝-聚乙烯
2.光纤传输的性质
1) 损耗 (dB/km) :固有损耗. 非固有损耗
通过周期性的波纹结构提供的光耦合来建立 光振荡，即布喇格反射原理 单纵模振荡 线性度好 线宽窄：布拉格反射可比作多级调谐，使谐 振波长的选择性大为提高。 稳定性好：因为光栅有助于锁定在给定的波 长上，使其温度漂移很小。 动态谱特性好：高速调制下也保持单模振荡， 虽然动态谱宽度要比静态谱宽展宽，但较F-P 腔LD展宽小得多。
3.半导体激光器的结构、分类和主要性质
1)、F-P腔激光器
振幅条件：使激光器成为阈值器件
e (th- )2L • R = 1
晶体的天然解理面
增加增益的方法：加大注入电流
( ) = (N2 - N1)C2 g() / (8n22sp)
相位条件 ：使激光器的发射光谱呈模式振荡 2L＝q2 q=1,2,3,…
2、 半导体激光器的激射条件
(1)有源区里实现足够的粒子数反转分布 当处于高能级上的电子数N2大于处于低能级上的电子数
N1 时，受激辐射占据主导地位，光被放大。 N2 > N1 的
情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况（外界激励） ，通常称为粒子数反转分布，或布局反转。(给PN结加正
向电压)
(2)存在光学谐振机理，并在有源区里建立起稳定的振荡
10 P log10 in L Pout
光纤中低损耗窗口 0.85 mm (< 2.5dB/km) 1.3 mm (< 0.4dB/km) 1.55mm (< 0.2dB/km)
dBm = 相对于1mW功率的dB 0 dห้องสมุดไป่ตู้m = 1mW 10 dBm = 10mW 20 dBm = 100mW
2)色散（Dispersion) 模式色散 (intermodal dispersion) ： 多模光纤中各模式在同一频率下有不 同的群速度，因而形成模式色散。