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砀淖児獾膹姸鹊龋猿休d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砀淖児獾膹姸鹊龋猿休d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實用化的光纖通信線路。此時半導(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、具有獨立傳播特性，可以借助光學(xué)系統(tǒng)，把一個面上的二維信息以很高的分辨率瞬間傳遞到另一個面上，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，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。

激光光波的電場強度是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。因為激光具有振幅、頻率、相位、強度等參量，所以如果使其某一參量按調(diào)制信號的規(guī)律變化，那么，激光就受到了信號的調(diào)制，達到“運載”信息的目的。根據(jù)調(diào)制器與激光器的相對關(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，即以調(diào)制信號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)制信號直接改變激光器泵浦電源的驅(qū)動電流(例如注入式半導(dǎo)體激光器)，使輸出的激光強度受到調(diào)制(這種方式可稱為直接調(diào)制或電源調(diào)制，即對激光器的泵浦電源進行調(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，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(約高一個數(shù)量級)，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)制的對象可分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強度調(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(峰值功率達106W以上)，鎖模技術(shù)則可將激光脈寬進一步壓縮至皮秒或飛秒量級(峰值功率達到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的激光脈沖，使激光成為非常強的相干光源，并由此產(chǎn)生了非線性光學(xué)等新的光學(xué)分支。同時，也推動了諸如激光雷達、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)量級壓縮至幾飛秒(10-15s)。按照鎖模的工作機理，實現(xiàn)鎖模的方法分為主動鎖模、被動鎖模、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)主動鎖模

主動鎖模采用周期性調(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。主動鎖模的基本原理是：在諧振腔中插入一個受外界信號控制的調(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，對各個模的調(diào)制會產(chǎn)生邊頻，邊頻又與兩個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)制的強度足夠大，則使所有的振蕩模達到同步，形成重復(fù)頻率為c/2L的鎖模脈沖序列。主動鎖模的實現(xiàn)多采用聲光或電光調(diào)制器。

2)被動鎖模

被動鎖模是將可飽和吸收體放在諧振腔內(nèi)加以實現(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)的光強達到一定值時，可飽和吸收體對光的吸收達到飽和，透過率變?yōu)?00%。如此，使強度最大的激光脈沖受到最小的損耗，從而輸出很強的鎖模脈沖。被動鎖模方法與被動Q開關(guān)二者之間的區(qū)別主要表現(xiàn)在：被動鎖模要求可飽和吸收體上能級的壽命非常短。有機染料是一種很合適的可飽和吸收體。

3)同步泵浦鎖模

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

也可以通過周期性地調(diào)制諧振腔的增益來實現(xiàn)。通過周期性地調(diào)制諧振腔的增益實現(xiàn)鎖模的做法：用一臺主動鎖模激光器的脈沖序列作為種子脈沖去泵浦另一臺激光器使其實現(xiàn)鎖模，稱之為同步泵浦鎖模。此方法的優(yōu)點在于周期性泵浦時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)前研究的一個熱點。

《2023年版激光產(chǎn)業(yè)規(guī)劃專項研究報告》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，同時對激光行業(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，幫助客戶評估激光行業(yè)投資價值。

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  2023年版激光產(chǎn)業(yè)規(guī)劃專項研究報告

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