光纤激光器的发展史

早期对激光器的研制主要集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩展方面。今天，密集波分复用(DWDM)和光时分复用技术的飞速发展及日益进步加速和刺激着多波长光纤激光器技术、超连续光纤激光器等的进步。同时，多波长光纤激光器和超连续光纤激光器的出现，则为低成本地实现Tb/s的DWDM或OTDM传输提供理想的解决方案。就其实现的技术途径来看，采用EDFA放大的自发辐射、飞秒脉冲技术、超发光三极管等技术均见报道。

国内外对于光纤激光器的研究方向和热点主要集中在高功率光纤激光器、高功率光子晶体光纤激光器、窄线宽可调谐光纤激光器、多波长光纤激光器、非线性效应光纤激光器和超短脉冲光纤激光器等几个方面。

1962年世界上第一个GaAs半导体激光器问世以来，已有五十余年的历史，半导体激光器已广泛地应用于激光通信、光盘存储、激光检测等领域。

随着半导体激光器连续输出功率的日益提高，其应用范围也不断扩大，其中大功率半导体激光器泵浦的固体激光器（DPSSL）是它最大的应用领域之一。这一技术综合了半导体激光器与固体激光器的优点，不仅将半导体激光器的波长转换为固体激光器的波长，而且伴随光束质量的改善和光谱线宽的压缩，以及实现脉冲输出等。半导体激光器体积小、重量轻，直接电子注入具有很高的量子效率，可以通过调整组份和控制温度得到不同的波长与固体激光材料的吸收波长相匹配，但它本身的光束质量较差，且两个方向不对称，横模特性也不尽理想。而固体激光器的输出光束质量较高，有很高的时间和空间相干性，光谱线宽与光束发散角比半导体激光小几个量级。对于DPSSL，是吸收波长短的高能量光子，转化为波长较长的低能量光子，这样总有一部分能量以无辐射跃迁的方式转换为热。这部分热能量将如何从块状激光介质中散发、排除成为半导体泵浦固体激光器的关键技术。为此，人们开始探索增大散热面积的方法。

方法之一就是将激光介质做成细长的光纤形状。

所谓光纤激光器就是用光纤作激光介质的激光器，1964年世界上第一代玻璃激光器就是光纤激光器。由于光纤的纤芯很细，一般的泵浦源（例如气体放电灯）很难聚焦到芯部。所以在以后的二十余年中光纤激光器没有得到很好的发展。随着半导体激光器泵浦技术的发展，以及光纤通信蓬勃发展的需要，1987年英国南安普顿大学及美国贝尔实验室实验证明了掺铒光纤放大器（EDFA）的可行性。它采用半导体激光光泵掺铒单模光纤对光信号实现放大，这种EDFA已经成为光纤通信中不可缺少的重要器件。由于要将半导体激光泵浦入单模光纤的纤芯（一般直径小于10um），要求半导体激光也必须为单模的，这使得单模EDFA难以实现高功率，报道的最高功率也就几百毫瓦。

为了提高功率，1988年左右有人提出光泵由包层进入。初期的设计是圆形的内包层，但由于圆形内包层完美的对称性，使得泵浦吸收效率不高，直到九十年代初矩形内包层的出现，使激光转换效率提高到50%，输出功率达到5瓦。1999年用四个45瓦的半导体激光器从两端泵浦，获得了110瓦的单模连续激光输出。近两年，随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展，光纤激光器的输出功率逐步提高，采用单根光纤，已经实现了1000瓦的激光输出。

随着光纤通信系统的广泛应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。其中，以光纤 作基质的光纤激光器，在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步，是光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支 持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。光纤激光器技术是研究的热点技术之一。

光纤激光器由于其具有绝对理想的光束质量、超高的转换效率、完全免维护、高稳定性以及体积小等优点，对传统的激光行业产生巨大而积极的影响。 最新市场调查显示：光纤激光器供应商将争夺固体激光器及其他激光器在若干关键应用领域的市场份额，而这些市场份额在未来几年将稳步看涨。到2010年，光纤激光器将至少占领工业激光器28亿美元市场份额的四分之一。光纤激光器的销售量将以年增幅愈35%的速度攀升，从2005年的1.4亿美元增至2010年的6.8亿美元。而同期，工业激光器市场每年增幅仅9%，2010年达到28亿美元。

我国光电子技术产业发展历程与展望

光电子技术是继微电子技术之后近30年来迅猛发展的综合性高新技术。1962年半导体激光器的诞生是近代科学技术史上一个重大事件。经历十多年的初期探索，从70年代后期起，随着半导体光电子器件和硅基光导纤维两大基础元件在原理和制造工艺上的突破，光子技术与电子技术开始结合并形成了具有强大生命力的信息光电子技术和产业。

光电子技术是一个比较庞大的体系，它包括信息传输，如光纤通信、空间和海底光通信等；信息处理，如计算机光互连、光计算、光交换等；信息获取，如光学传感和遥感、光纤传感等；信息存储，如光盘、全息存储技术等；信息显示，如大屏幕平板显示、激光打印和印刷等。其中信息光电子技术是光电子学领域中最为活跃的分支。在信息技术发展过程中，电子作为信息的载体作出了巨大的贡献。但它也在速率、容量和空间相容性等方面受到严峻的挑战。采用光子作为信息的载体，其响应速度可达到飞秒量级、比电子快三个数量级以上，加之光子的高度并行处理能力，不存在电磁串扰和路径延迟等缺点，使其具有超出电子的信息容量与处理速度的潜力。充分地综合利用电子和光子两大微观信息载体各自的优点，必将大大改善电子通信设备、电子计算机和电子仪器的性能。

由于光电子器件是信息光电子技术应用系统的核心和关键，所以863计划中将光电子器件及其集成技术选为信息领域的四个主题之一，即863－307主题。

经过863计划的支持，光电子主题取得了重大的进展。主要是：关键技术量子阱材料和量子阱器件研制已取得决定性的突破；大功率半导体激光器及其泵浦的固体激光器、掺铒光纤放大器和量子阱、dfb激光器及高速光收发模块等一批重大、重点课题取得重要成果，迈进了成果转化的新阶段；gan基蓝光led和ld、dfb－ld＋ea光子集成组件、gesi／si材料和量子点器件，面发射激光器等致力于技术创新的课题取得显著进展，有些项目，如四方相gan材料及有关电致发光二极管达到国际领先水平，dfb－ld＋ea光子集成器件等达到国际先进水平。

根据国内外的发展态势，光电子主题专家组强调要做到“两个转移、一个新突破”，即：将已取得的科研开发成果，特别是重大项目的成果向规模化生产转移；将关键技术的研究中已取得突破的技术向发展目标产品转移；继续抓创新和关键技术的研究、实现在光子集成技术上的新突破。为此，主题专家组在五个重点方向上设置了研究课题，深入开展研究开发和成果转化工作：

高速宽带光纤通信与光纤接入网关键光电子器件及单元技术方面，积极开展对10gb／s光收发器件和模块的研究开发、同时增加对无源wdm器件的研制开发。为已形成的dwdm系统市场提供必要的元器件、部件和子系统。

光存储中的光电子器件与部件及其应用方面，发展计算机用的dvd－rom和dvd播放机所用的半导体红光激光器、进而开发dvd光头这一关键部件并及早部署发展下一代蓝光乃至紫外光超大容量光存储的光头的设计和制造技术。

光显示中的光电子器件与部件及其应用方面，主要发展红、橙和蓝色的高亮度、长寿命led。与材料领域合作，研制大型平板显示器所需的全色led系列产品。在红、橙高亮度led上，实现成果向大规模生产的转移，在gan蓝光器件的研制上保持发展创新带来的技术优势，做好向目标产品的转移，并考虑开拓节能白光led的新领域。

大功率半导体激光器及其应用方面，包括不同波长的大功率半导体激光器及其泵浦的固体激光器（dpl）的研制开发。开拓其在工业、医疗和军事中的广阔应用前景，其市场明朗、需求巨大。今后的任务是开拓已有的大功率半导体激光器和dpl的成果，促进相关应用产品的产业化。

光互连、光交换及光计算技术研究方面，抓住高性能网络计算系统及高性能并行计算机目前高速发展的时机，有选择地研究开发一批光互连的关键器件与单元技术，拓宽国内光电子器件的应用领域。同时，对波长路由器、波长转换器等光交换系统急需的核心器件开展研究，争取实现技术上的创新和突破，配合307主题有关课题完成光交换系统和全光网络的研究工作。

在上述五个重点方向中，光通信和光存储两项是重中之重。其中光通信对于国民经济和国防建设的意义重大。主题已将有关的量子阱dfb激光器、光收发模块等七个课题集成，合并为一个重大项目立项研究。主题正在开拓新的重点方向是研制开发超大容量光存储技术所需的半导体红光激光器和dvd光学读写头。光头所需的非球面透镜的设计和生产技术、专用的oeic、伺服系统等的研究也做了部署，为国内数字激光视盘产品自我开发和大规模生产打下基础。

863计划实施以来，光电子主题取得了多方面的成绩。在技术方面实现了量子阱材料和器件的突破，完成了用于高速光通信、光存储和光显示的几十种关键器件的研制和商品化，结束了半导体激光器和光纤放大器国外产品的垄断局面。

实际上，主题的成果还起到了支撑其他主题和项目完成的作用。例如在“2.5gb／s sdh光纤通信系统”及其在海南省的海口——三亚试验工程和“8×2.5gb／s wdm实验系统”两个307主题重大项目当中，本主题研制的掺铒光纤放大器（edfa）、2.5gb／s高灵敏度光接收模块和光波长转换模块等以优于国外同类产品的性能和相对低廉的价格，为系统研制的成功起到关键的作用；系统的监控部分也全部采用本主题的量子阱激光器和探测器。另外如808nm大功率激光器及其泵浦的绿光固体激光器、670nm红光激光器已实现了产品化和商品化并批量出口占领国际市场；国内移动通讯系统的光纤直放站所用的光电器件中，90％均使用的是国产器件。

与此相关的是促进产业化的工作。在最大限度地把科技成果转化为生产力，促进国内光电子产业的形成和发展壮大方面，光电子主题取得了很有价值的经验，并形成多种形式的成果转化模式，其中包括：

成果转化基地内部转化。如武汉邮电科学研究院的光纤放大器在重大研究课题的基础上，自己筹资建立生产线，开始了规模化的生产。

向企业进行技术转让，形成光电子产业新的增长点。如清华大学的光纤放大器和绿光固体激光器等成果分别转让两个生产单位，有力支持了后续的科学研究。

吸引投资成立新的产业实体。如中科院长春光机所通过融资800万元成立高新技术公司建成绿光固体激光器生产线，主要销往国际市场，形成了国际上这一类产品的龙头企业。

激光具有高相干性、方向性、高强度的特质，很容易获得很高的光通量密度，将强的激光束聚焦到介质上，利用激光束与物质相互作用的过程来改变物质的性质，这就是激光加工。

激光加工技术随着光、机电、材料、计算机、控制技术的发展已经逐步发展成为一项新的加工技术。激光加工具有加工对象广、变形小、精度高、节省能源、公害小、远距离加工、自动化加工等显著优点，对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等的作用愈来愈重要。

激光加工主要应用在电子、汽车、机械制造、钢铁冶金、石油、轻工、医疗器械、包装、礼品工业、钟表、民爆、服装、化妆品、烟草、航空航天等行业，而且应用范围越来越扩大，在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标、激光雕刻、激光测量测距、激光金属探伤等方面已得到广泛应用。

1999年世界激光产品销售约49亿美元, 约合人民币400亿元，并以每年11%以上的速率增长。

1996年至2000年，全球激光加工系统的销售额以年均13%的增长率增长，2001年以来，每年也有12%以上的增长率，而半导体激光器、全固化固体激光器、准分子激光器加工系统增长更快，达23％，这反映出微电子工业、通讯工业及微光机电一体化系统的发展需要非常崭新的加工手段来满足制造上的需求。

从激光加工系统应用来看，以1999年的应用为例：销售额的30％用于激光切割、29％用于激光标记、15％用于激光微加工，13％用于激光焊接、其它应用占9%。

目前，用于激光加工的工业激光器主要有两大类：固体激光器和气体激光器。其中，固体激光器以Nd:YAG 激光器为代表；而气体激光器则以 CO2 激光器为代表。随着激光技术的发展，目前人们也开始在某些加工应用场合使用大功率光纤激光器和大功率半导体激光器。

成都激光加工厂研发制造的 Nd:YAG 激光器的激光工作物质为固态的 Nd:YAG 棒，其激光波长为 1.06μm。由于该种激光器的激光转换效率较低，同时受到 YAG 棒体积和导热率的限制，其激光输出平均功率不高。

但由于 Nd:YAG 激光器可以通过 Q 开关压缩激光输出的脉冲宽度，在以脉冲方式工作时可获得很高的峰值功率（108W），适用于需要高峰值功率的激光加工应用；其另一大优点是可以通过光纤传输，避免了复杂传输光路的设计制作，在三维加工中非常有用。

此外，还可以通过三倍频技术将激光波长转换为 355nm（紫外），激光器和计算机连接，在激光立体扫描、造形技术中得到很好地应用。

CO2 激光器的激光工作物质为 CO2 混合气体，其主要应用的激光波长为 10.6μm。由于该种激光器的激光转换效率较高，同时激光器工作产生的热量可以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外，其激光输出平均功率可以做到很高的水平（万瓦以上），满足大功率激光加工的要求。

激光加工是未来材料加工应用发展的趋势之一，而 CO2 激光加工一直占激光材料加工中最主要的地位，世界激光市场也以 CO2 激光机器为主力，约占全部的七成左右，每年以百分之十左右的速度增长。近几年来，随着国际和国内整体产业环境的改变，在产业水准提升、专业人员缺乏、自动化需求增加、产品附加价值和加工质量有待提高的压力下，激光加工应用已逐渐被国内产业界接受并采用。

由于我国激光器的研发和制造起步较晚，市场拥有量较低，应用领域越来越广，短期内可维持较高的激光市场增长率，加工应用的市场潜力也很大。

但产业界和工业 CO2 激光的使用者，仍然有许多问题需要去解决，尤其在相关技术人员的养成训练和新的加工应用领域开拓这两方面，更须下大力气。激光激光的前景是广阔的，激光加工手段的不断进步必将带来材料加工领域的一次革命。

---