中国激光元部件市场分析 行业发展概况及技术分析

中国激光元部件市场分析

一、激光元部件行业发展概况

激光器件光纤通信所需的光源，应该是可高速调制的光源，以便载送大容量信息。如激光器和发光管。所谓“调制”就是按照所要传输的信息来改变光的强度等，以承载信息。

光纤通信所需的光源，应该是可高速调制的光源，以便载送大容量信息。如激光器和发光管。所谓“调制”就是按照所要传输的信息来改变光的强度等，以承载信息。1960年迈曼(Maimen)发明红宝石激光器。激光(Laser)与通常的光线的不同之处主要在于激光的光频非常单纯，具有线状谱线，光学中称为相干光，最适合做光纤通信的光源。相干光的特点是光能集中，是发散角很小，近似平行光。在红宝石激光器发明后，各色各样的激光器相继诞生：有气体激光器，如氦氖激光器;有固体激光器，如YAG铱铝石榴石激光器;有化学激光器;染料激光器等。其中半导体激光器最适合作光纤通信的光源，它的体积小，效率高，它的波长同光纤的低损失窗口相适合。但半导体激光器的制造工艺十分复杂，需要在极高纯度无缺陷的衬底材料上外延生长5层掺杂的半导体，再在上面光刻微米尺寸的光波导，其难度与光纤相比，有过之而无不及。于70年代末，室温连续工作长寿命的半导体激光器终于制成。1976年，在美国亚特兰大至华盛顿建立了世界上第一个实用化的光纤通信线路。此时半导体激光器尚未过关，光源是采用半导体发光管。在80年代初，单模光纤和激光器已经成熟，从此光纤通信大容量的优越性逐步得到发挥。

半导体激光器发出的光，谱线很纯，能量集中，光束很细，能高效率地射人芯直径仅8微米的单模光纤中。当今的高速光纤通信系统部采用半导体激光器做光源。

二、激光元部件行业技术分析

1、调制技术

激光是具有特殊性质的光波，例如具有良好的相干性、单色性、方向性以及高亮度。与无线电相似，可以用来作为传递信息的载波。激光的频率可达1013～1015Hz，因此可供利用的频带很宽，信息容量大。另外，光的波长短、传递速度快、具有独立传播特性，可以借助光学系统，把一个面上的二维信息以很高的分辨率瞬间传递到另一个面上，为二维并行光学信息处理提供条件。所以激光是传递信息(包括语言、文字、图像、符号等)的理想光波。用激光作为信息的载体，需要解决如何将信息加载到激光上去的问题。例如用激光传递语音信号，需要将语音信息加载到激光，由激光“携带”信息通过一定的传输通道(大气、光纤等)送到光电接收器，由接收器提取加载的语音信息，从而完成通话目的。这种将信息加载到激光的过程称之为调制，完成这一过程的装置称为调制器。其中，激光称为载波，所要传递的信息称为调制信号。

激光光波的电场强度是ec(t)=AccosΨ(t)=Accos(ωct+φc)式中，Ac为振幅，Ψ(t)=ωct+φc为总相角，ωc为角频率，φc为相位角。因为激光具有振幅、频率、相位、强度等参量，所以如果使其某一参量按调制信号的规律变化，那么，激光就受到了信号的调制，达到“运载”信息的目的。根据调制器与激光器的相对关系，可将激光调制分为两类，即内调制和外调制。按照调制器的工作机理来分类，主要有电光调制、声光调制、磁光调制和直接调制(又可称为电源调制)。内调制是指在激光振荡过程中加载调制信号，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而使输出的激光带有要传递的信息。一种内调制方式是用调制信号直接改变激光器泵浦电源的驱动电流(例如注入式半导体激光器)，使输出的激光强度受到调制(这种方式可称为直接调制或电源调制，即对激光器的泵浦电源进行调制)。还有一种内调制方式是在激光谐振腔内放置调制元件，用调制信号控制调制元件的物理特性变化，改变谐振腔的参数，从而改变激光器的输出特性，例如调Q技术就属于这种调制。内调制具有小型化、集成度高的优点，目前主要用在光通信的注入式半导体激光中。外调制是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，激光通过调制器后，光波的某参量受到调制，从而带有要传递的信息。由于外调制的调整方便，而且对激光器没有影响，另外，外调制方式不受半导体器件工作速率的限制，故它比内调制速率高(约高一个数量级)，调制带宽要宽得多。内调制和外调制以及电光调制、声光调制、磁光调制和直接调制的关系。激光调制器按其调制的对象可分为调幅、调频、调相及强度调制等。下面介绍这几种调制的概念。

2、调Q技术

调Q技术与锁模技术均为改善激光器输出性能的单元技术，是应人类对高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的应用需求而发展起来的。两种技术压缩脉宽的机理不同，因而压缩的程度也不同。调Q技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级(峰值功率达106W以上)，锁模技术则可将激光脉宽进一步压缩至皮秒或飞秒量级(峰值功率达到1012W)。调Q技术也叫Q开关技术，是一种获得高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的技术。通常，将这种高峰值功率的窄脉冲叫做巨脉冲。调Q技术最早出现于1962年，其诞生是激光发展史上的一个重要突破。在此之前，由于普通脉冲激光器输出的弛豫振荡，很难获得峰值功率高而脉宽窄的激光脉冲。调Q技术的应用，使能够获得峰值功率在兆瓦以上而脉宽仅为纳秒量级的激光脉冲，使激光成为非常强的相干光源，并由此产生了非线性光学等新的光学分支。同时，也推动了诸如激光雷达、激光测距、高速摄影、核聚变等应用技术的发展。

3、锁模技术

采用腔倒空法(脉冲透射式调Q)可以获得脉宽最窄的调Q脉冲。其脉冲宽度近似等于光在腔内往返一次所需要的时间，即=2L/c(L为腔长，c为光速)。要压窄脉宽，则必须缩短腔长，而腔长又受到器件输出功率的限制。因此，从原理上讲，采用调Q技术已无法获得超短脉冲。必须从理论上探求一种新的压缩脉宽的途径。这就是本节要介绍的锁模技术，也叫做超短脉冲技术。从1964年激光锁模技术首次应用于He-Ne激光器以来，超短脉冲技术获得了快速的发展。锁模激光脉冲的宽度已由皮秒(10-12s)量级压缩至几飞秒(10-15s)。按照锁模的工作机理，实现锁模的方法分为主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、自锁模及碰撞锁模等多种形式。主要介绍前四种。

1)主动锁模

主动锁模采用周期性调制谐腔参量的方法。根据被调制的参量是振幅或相位，又分为振幅调制(或损耗调制)锁模和相位调制(或频率调制)锁模。主动锁模的基本原理是：在谐振腔中插入一个受外界信号控制的调制器，用一定的调制频率周期性地改变腔内振荡模的振幅或相位。当选择调制频率f等于纵模间隔Δνq时，对各个模的调制会产生边频，边频又与两个相邻纵模的频率相一致，由此引起模之间的相互作用。若调制的强度足够大，则使所有的振荡模达到同步，形成重复频率为c/2L的锁模脉冲序列。主动锁模的实现多采用声光或电光调制器。

2)被动锁模

被动锁模是将可饱和吸收体放在谐振腔内加以实现的。其原理主要是利用可饱和吸收体的非线性吸收效应。当腔内的光强达到一定值时，可饱和吸收体对光的吸收达到饱和，透过率变为100%。如此，使强度最大的激光脉冲受到最小的损耗，从而输出很强的锁模脉冲。被动锁模方法与被动Q开关二者之间的区别主要表现在：被动锁模要求可饱和吸收体上能级的寿命非常短。有机染料是一种很合适的可饱和吸收体。

3)同步泵浦锁模

锁模既可以像主动锁模那样通过周期性地调制谐振腔的损耗或光程来实现，

也可以通过周期性地调制谐振腔的增益来实现。通过周期性地调制谐振腔的增益实现锁模的做法：用一台主动锁模激光器的脉冲序列作为种子脉冲去泵浦另一台激光器使其实现锁模，称之为同步泵浦锁模。此方法的优点在于周期性泵浦时可以获得比泵浦脉冲宽度窄得多的脉冲。如果同步泵浦染料激光器，则产生的超短脉冲的频率在一定的波长范围内是连续可调的。

4、自锁模

当工作物质自身的非线性效应已能够保持各个振荡纵模频率的等间隔分布且彼此之间有确定的初相位关系，不需要在谐振腔内插入任何调制元件即可实现锁模，称之为自锁模。典型的自锁模激光器——掺钛蓝宝石激光器，即是当前研究的一个热点。

《2023年版激光产业规划专项研究报告》由中研普华激光行业分析专家领衔撰写，主要分析了激光行业的市场规模、发展现状与投资前景，同时对激光行业的未来发展做出科学的趋势预测和专业的激光行业数据分析，帮助客户评估激光行业投资价值。