我对激光应用浅谈讲解.pdf

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1、我对激光应用的浅谈 摘要：20 世纪以来，激光是继原子能、计算机、半导体之后的又一重大科技 发明。在有充分的理论准备和生产实践需要的背景下，激光技术应运而生。 它一 问世就获得了异乎寻常的快速发展。激光在现代通信领域有着广泛的应用。它在 扩大通信容量， 缓和通信频段拥挤， 提高通信安全等方面都发挥着极为重要的作 用。 关键词： 激光技术现代通讯激光通信光子晶体能量衰减 1 Discussion of laser application Abstract ： Since the 20th century, laser is another major technological inventio

2、n after the atomic energy, computer, semiconductor .Under the background of a full theories preparation and production practice needs,the laser technology arises at the historic moment. It comes out to obtain the unusually rapid development. Laser in modern communication field have a wide range of a

3、pplications. In expanding communication capacity, easing communication frequency crowded and improving the communication security aspects, it plays an extremely important role. Key words: laser technology; modern communication; laser communications; photonic crystal; energy attenuation 2 1. 激光在科技上的应

4、用 事实上， 1916 年激光的原理被著名的物理学家爱因斯坦发现之后一直没有 研制成功，原因在于科学实验所需要的器材没有现在发达，一直到 1958 年激光 才被首次成功制造。激光是计入20 世纪，继原子能、计算机、半导体之后，人 类的又一重大发明， 它的亮度非常之高， 大约为太阳光的 100 亿倍。因此激光一 问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，也正是因为这个原因， 历史悠久的光学科 学和光学技术体会了新生的快乐， 更重要的是导致整个一门新兴产业激光产 业的诞生。 第一，激光通信经历了大气通信和光波导（光纤）通信两个重要的发展阶段。 CO2气体激光器是比较符合要求的早期通信用光源，其输出激光波长

5、为10.6 m ， 在大气通行当中，信道传输的低损耗窗口要求的标准波长是10.6m 。早期的激 光大气通信所用光源还包括YAG固体激光器、 He-Ne气体激光器等等。其中的早 期激光大气通信曾经掀起了全球性的研究浪潮，大量的人力、财力和物力在这个 阶段投入了进去， 对激光大气通信进行了广泛的研究开发。但是这项研究只有少 数的经济和技术力量雄厚的发达国家才能够承担得起。光纤波导通信技术大约与 激光大气通信技术的研究工作同步展开，从而在技术上形成了激光无线通信和激 光有线通信两种通信方式，这两种通信技术与传统通信技术大不相同。 垂直腔面发射激光器（ VCSEL ）列阵光接受发射模块的处理能力不仅速

6、度高 而且容量特别大。 微电子电路的多功能的逻辑控制、具有高强度并行操作功能的 电子集成器件的优越性、 光本身的高速传输能力、 超高规模集成技术的优越性在 垂直腔面发射激光器（ VCSEL ）列阵光接受发射模块当中得到了完美的体现。现 代通信技术研究中， 在激光通信领域， 最引人瞩目的就要属垂直腔面发射激光器 (VCSEL)了。包括制造成本很低、易与光纤耦合、阈值电流低、调制频率高、单 模工作时温度和电流范围宽、易于集成等在内的特点都是垂直腔面发射激光器 （VCSEL ）的优点，这也是它一出世便被世人瞩目的重要原因。垂直腔面发射激 光器（ VCSEL ）在激光通信当中最主要的用途就是作为信号光

7、源，除了作为信号 光源之外，它的应用非常广泛，例如在高速光开关、各种固体激光器的泵浦源、 高密度光盘读写光源、 图像处理与模式识别以及计算机芯片光互连和多值逻辑电 3 路中都可以见到垂直腔面发射激光器（VCSEL ）的靓丽身影。但是当前实际的研 究情况表明，只有850nm的较短波长的垂直腔面发射激光器（VCSEL ）在接入网 中取得了比较广的实际应用效果，虽然现在市场上应经有了1310nm 和 1550nm 长波长垂直腔面发射激光器（VCSEL ）的产品推向市场，但是1310nm和 1550nm 长波长垂直腔面发射激光器（VCSEL ）要想取得更好的发展必须完善自己的技术 并逐渐走向成熟。在国

8、际上，有许多国家和大公司均对垂直腔面发射激光器 （VCSEL ）的研究非常感兴趣；在国内，我国中科院半导体所、北京大学、吉林 大学等单位在面发射激光器上都有非常深入的研究，也取得了累累硕果。 第二，新材料为激光通信技术的发展带来了机遇。近年来，随着科学技术 发展的日新月异，新的激光材料正为激光通信事业的发展的注入活力，包括Ce ： LiSAF、Ce ：LiuF 紫外可调谐晶体、超晶格非线性光学晶体、KBBF 深紫外非线性 光学晶体等在内的新激光材料正以前所未有的速度问世。在晶体光电子器件中发 展势头最猛的要属光子晶体激光器。 以人工晶体为基础材料的全固态激光器的发 展趋势是研究出集高功率、多波

9、长、宽调谐、长寿命、高稳定性于一体的全固态 激光器。除此之外，在新结构方面最引人瞩目的是量子点激光器和微腔半导体激 光器，前者虽然处于研究阶段，但是研究潜力大且体积小、冷却要求低；后者的 主要用途就是以光源的形式应用在孤子通信系统之上。纵观整个激光通信系统的 发展，世界范围内通信市场的萎靡不振也让激光通信经历了考验，遭遇了很多的 苦难，当然也面临着许多的机遇。 第三，激光通信要实现产业化和商品化的道路还非常漫长。就目前的研究情 况看来，激光通信有两个主要的研究和发展方向，第一是实现激光通信技术的实 用化，第二是积极研发高功率光纤激光器。目前的高功率光纤激光器的连续输出 光功率已经相当惊人， 据

10、资料显示现在已经在千万量级上，光功率密度可达数百 MW/cm2 。高功率光纤激光器的研制已经成为一个国家技术实力的代表之一，因而 关于高功率光纤激光器的研制项目也纷纷上马，它的实用化的技术研究更是抢占 激光技术的制高点的关键所在， 所以国内各有关单位正在紧锣密鼓地研制相关的 技术。路漫漫其修远兮， 高功率光纤激光器实现产业化和商品化的道路还非常漫 长，这其中还有许多关键技术需要解决。今后高功率光纤激光器的主要发展方向 为： 4 (1) 提升高功率光纤激光器的性能； (2) 采用各种增益介质 (如光子晶体光纤等 ) 和各种形状，以输出各种波长激光； (3) 将其应用到光孤子通信和空间光通信领域，

11、实现远距离和无差错通信。 不断成熟起来的地面通信系统， 加上辅助工艺技术的快速发展， 半导体激光 通信系统将会取得长足的发展， 并在可以预见的将来， 成为实现卫星之间的通信 的有效手段之一， 因此，半导体激光通信系统将会成为构建外层空间通信网络的 主力军。目前，就发射功率和探测灵敏度而言，完全能满足15 千米以内的大气 通信系统需求。 在国外，半导体激光通信系统已经实现了部分的商品化，反观国 内的情况则要稍微落后一些。 2. 激光在夜视照明中的应用 2.1 夜视照明技术 随着国民经济的持续增长以及人民生活水平的提高，对安防需求越来越高， 国内的安防市场增长率每年超过50% 。911事件后，全球

12、的安全监控市场扩大了3 倍，尤其随着国际恐怖主义的抬头，全球市场将更加继续扩大。 在安全监控领域，视频监控是一个很重要的分支，而且这些年来随着技术的 发展有了长足的进展， 然而，在视频监控领域始终有一个突出问题没有很好的解 决，就是夜间的视频监控问题， 因为摄像机有如人的眼睛， 在光线太暗时无法清 晰的看清目标。 为了解决这个问题， 人们想了很多方法， 目前应用最广的是利用 主动的红外照明光源来实现对监控目标的补光，以便实现摄像机的夜间监控要 求。 目前监控行业里 95% 以上都是使用这项技术，红外线监控系统通过主动发出 红外波长的光照亮物体 ( 一般肉眼能感受的波长范围是在红、橙、黄、绿、蓝

13、、 靛、 紫的范围内，红外和紫外的光是看不见的， 但是摄像机可以捕捉到红外光线) ， 红外光的亮度决定了看清的程度。 2.2 红外线技术的发展 主动半导体红外技术最早在60年代初期有美国贝尔实验室研发成功，最早期 的红外转换效率只有 5% ，效率很低， 多用在红外遥控器等简单产品上。在夜视照 明应用中，开始主要使用红外照明灯泡，这种产品体积大、功耗大、而且使用寿 命只有一千小时，后来被红外LED所取代。 LED红外灯的有效效率为 10% 左右， 5 产品体积相对红外灯泡大大的减小，功耗也由数千瓦下降到数十瓦， 但是他有明 显的缺陷，那就是受限于散热处理而发光功率大大减小，以至于照明距离急缩减，

14、 往往达不到标称的照射距离，还有就是产品的体积，受限于LED管的数量组装， 为了达到照明需要， 就得用许多 LED管组装，造成体积的增加。 但是 LED灯管由 于产量的巨大，成本可以做的很低，是目前市场上占有量最大的产品。 激光是 20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后， 人类的又一重大发明。 它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激 光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运 而生的，它一问世， 就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光 学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使 人

15、们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果， 从而促 进了生产力的发展。 红外激光在照明领域中应用的最大优势在于激光具有极高的发光效率和发 光强度，半导体激光的电光转换效率最高可达80% ，大大的降低能耗，增加照明 距离，而且由于激光的控制技术的专一性使得激光产品的寿命有所保证。 2.3 激光照明器和 LED灯的差别 (1) 照明距离：单一的LED 输出光功率一般为 515mW，现在虽然有 4050mW 的 LED产品问世，但是依然无法和半导体激光管(LD)相比，现在单芯的半导体激 光管的发光功率可达 10W ，一个激光管的亮度等于几百个LED的亮度总和。故相 对很小的激光产

16、品可以达到很大的照射距离，大大的改善照射效果， 提高清晰度。 (2) 体积：红外激光照明器采用单一芯片的半导体激光管作为发光介质，所 以体积可以做的很小，同时有满足亮度的要求。 (3) 寿命：半导体激光管和LED都属于半导体发光产品，半导体产品的寿命 很大程度受制于对产品散热的处理。激光照明器由于采用金属封装和专用电源， 可以通过先进的半导体温控技术，达到完美的温度控制， 使得产品始终在设定的 合理温度下工作， 寿命能够很好的得到保证。 而 LED产品由于采用灌胶封装以及 LED灯需要组装大量 LED管，所以发热量大，而且这种发热直接影响到产品寿命， 使得 LED产品在使用一段时间后出现严重的

17、光衰现象，直接影响产品使用效果， 甚至产品报废。 6 (4) 红曝影响：近红外的半导体发光产品都存在红曝问题，这是有半导体发 光机制所决定的。 但是由于红外激光照明器采用单一芯片发光，使得红曝的存在 只有一个很小的发光点，在远距离照明中甚至可以忽略。而LED 灯由许多LED 管组装而成， 出现红曝后， 会使产品的整个面板发生红曝现象，不利于红外灯的 隐蔽。 (5) 成本：半导体激光管和LED的生产方式很类似，核心芯片都是通过外延 生长实现，然后通过不同的封装工艺来满足芯片的工作要求。成本的差异主要是 由于产品的生产量来决定，LED由于封装简单，应用量巨大，所以可以大规模的 生产，从而大大降低了

18、产品成本; 随着激光应用技术的不断发展，半导体激光管 的产量这些年来也成几何倍数的增加，产品的成本已经降到可以被普通用户承受 的阶段，而且成本的降低还在进行，最终激光管的生产成本可以达到目前LED 的水平。 (6) 由于半导体激光管的工作条件要求高，所以对每一个激光管的品质要求 都大大的高于 LED ，所以红外激光照明器核心部件的品质从一开始就有严格的要 求，质量控制的高要求使得最终产品的性能和质量都有所保证。 3 结论 随着摄像机技术的发展及 在通信发展的迫切需求与新兴业务的不断驱动下， 带给夜视监控一定程度的进步， 可是受到 CCD 感应曲线的本身限制， 为了取得最 佳的夜视监控效果，仍然

19、需要在监控系统中增加辅助照射光源红外照明设 备。利用激光特有的性能， 结合先进的控制技术和光学设计，红外激光照明器配 合新的监控技术， 必将在夜视监控领域引起一场新的技术革命，使人们的监控视 野不断的延伸，从而满足不同应用领域对夜视监控的要求。随着激光技术的发展， 以及对它的 高度重视，激光应用领域的扩展， 半导体激光产品的生产成本必将大 大的降低，从而使激光不再神秘， 红外激光照明器不再是某些特定领域的专用产 品，最终在整个监控照明领域实现对LED的替代，因为判定一个新兴产品的成功 在于这个产品在多大程度上被市场所接受，试想，一个性价比大大优于目前行业 采用的产品时，我们有什么理由不去使用它呢?我们将始终为这一目标的实现进 行不懈的努力。 7 参考文献 1 詹玉书 . 空间光通信的激光发射和接收技术及模拟实验J.半导体光电 ;1999(04) 2 陈翠华 . 自由空间光通信中光电子器件的现状分析J.光电子技术与信息;2005(02) 3 王海先 . 大气中激光通信技术J.红外与激光工程;2001(02) 4 张宝富等 . 光纤通信 M. 西安：西安电子科技大学出版社，2008：3-18. 5 田来科等。激光原理M. 西安：陕西科学技术出版社，2004：26-30.