激光器的设计与制作

44瓦超高功率808 nm半导体激光器设计与制作仇伯仓，胡海，何晋国深圳清华大学研究院深圳瑞波光电子有限公司1. 引言半导体激光器采用III-V化合物为其有源介质，通常通过电注入，在有源区通过电子与空穴复合将注入的电能量转换为光子能量。

与固态或气体激光相比，半导体激光具有十分显著的特点：1）能量转换效率高，比如典型的808 nm高功率激光的最高电光转换效率可以高达65%以上[1]，与之成为鲜明对照的是，CO2气体激光的能量转换效率仅有10%，而采用传统灯光泵浦的固态激光的能量转换效率更低, 只有1%左右；2）体积小。

一个出射功率超过10 W 的半导体激光芯片尺寸大约为mm3, 而一台固态激光更有可能占据实验室的整整一张工作台；3）可靠性高，平均寿命估计可以长达数十万小时[2]；4）价格低廉。

半导体激光也同样遵从集成电路工业中的摩尔定律，即性能指标随时间以指数上升的趋势改善，而价格则随时间以指数形式下降。

正是因为半导体激光的上述优点，使其愈来愈广泛地应用到国计民生的各个方面，诸如工业应用、信息技术、激光显示、激光医疗以及科学研究与国防应用。

随着激光芯片性能的不断提高与其价格的持续下降，以808 nm 以及9xx nm为代表的高功率激光器件已经成为激光加工系统的最核心的关键部件。

高功率激光芯片有若干重要技术指标，包括能量转换效率以及器件运行可靠性等。

器件的能量转换效率主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计，而运行可靠性主要与芯片的腔面处理工艺有关。

本文首先简要综述高功率激光的设计思想以及腔面处理方法，随后展示深圳清华大学研究院和深圳瑞波光电子有限公司在研发808nm高功率单管激光芯片方面所取得的主要进展。

2.高功率激光结构设计图1. 半导体激光外延结构示意图图2. 外延结构以及与之对应的光场分布图3. 量子阱限制因子与SCH层厚度之间的关系图4. 光束发散角与SCH层厚度之间的关系图1给出了一个典型的基于AlGaAs材料的808 nm半导体激光外延结构示意图，由其可见，外延结构由有源区量子阱、AlGaAs波导以及AlGaAs包层材料组成，在材料选取上包层材料的Al 组分要高于波导层材料的Al组分，以保证在材料生长方向形成波导结构，即材料对其中的光场有限制作用（见图2）。

引言光纤传感器自20世纪70年代以来，以其具有的灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、安全可靠等特点取得了飞速的发展。

同时，这些特性也使它可以实现某些特殊条件下的测量工作，比起常规检测技术具有诸多优势，是传感技术发展的一个主导方向。

作为光纤传感器中关键的光学元件之一的光源，其稳定度直接影响着光纤传感器的准确度。

本文所涉及的光纤传感器采用的是半导体激光器光源，半导体激光器具有单色性好、方向性好、体积小、光功率利用率高等优点，但是，光功率输出受外界环境变化的影响较大。

因此，本文针对半导体激光光源的工作原理和特性，设计了一种简单可行的自动功率控制(APC)驱动电路，通过背向监测光电流形成反馈，实现恒功率控制。

并且，引入了慢启动电路，防止电源电压的干扰，使激光器不会受到每次开启电源时产生的过流冲击，延长了激光器的使用寿命。

经实验验证，该电路解决了激光器在使用中输出功率不稳定的问题，其稳定度优于0.5%，达到了较好的稳流效果。

1 光源的工作原理和特性目前，实际应用的光源有表面光发射二极管(LED)、激光二极管(LD)、超辐射二极管(SLD)、超荧光光源(SFS)等。

随着光纤传感技术的迅速发展，体积小、质量轻、功耗小、容易与光纤耦合的LD等半导体光源应用越来越广泛。

本文主要研究半导体LD的驱动设计。

1.1 LD发光机理分析LD的基本结构为：垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里-珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。

其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其他方向的激光作用。

当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式λ=hc/Eg， (1)式中 h为普朗克常数;c为光速;Eg为半导体的禁带宽度。

如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。

超低噪声单频可调谐光纤激光器陈月娥;王勇【摘要】研制了一款超低噪声单频可调谐高抗振激光器,介绍了它的工作原理和设计方案.该激光器工作波长为1 550 nm,主要由单频激光谐振腔、保偏光纤放大器以及监控反馈光路组成.采用了精密稳定的闭环温控技术,使得激光器的工作温度极其稳定,温度控制分辨率达0.001℃.使用了鉴频部件及配套闭环系统锁定激光器的输出频率和功率,由此不仅保证了波长和功率的稳定性能,而且大大降低了激光器的低频噪声,同时制备的激光器光学膜也有效地提高了激光损伤阈值.与同类激光器的性能相比,设计的光纤激光器可保证功率稳定性优于1％,相对强度噪声优于-130 dBc/Hz;选择不同类型的种子光源谐振腔,激光器的线宽可控制在1～400 kHz.另外,激光器的最大波长调谐范围为3 nm,输出功率可达1W.在频率为1 Hz时,其相位噪声低于10 μrad·Hz-1/2/m OPD;抗振动能力可达到0.1g(g为重力加速度).【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2013(021)005【总页数】6页(P1110-1115)【关键词】保偏光纤激光器;可调谐激光器;低噪声;抗振;单频【作者】陈月娥;王勇【作者单位】燕山大学理学院,河北秦皇岛066004;浙江嘉莱光子技术有限公司,浙江宁波315336;浙江嘉莱光子技术有限公司,浙江宁波315336【正文语种】中文【中图分类】TN248.1;TN2421 引言光纤激光器是光纤通信中最具前途的一种光源。

其中，单频光纤激光器在过去的20年中得到了长足发展，并在分布式传感、相干光通信、雷达等领域有着广泛的应用［1－2］。

在获得单频光纤激光输出的众多方法中，分布布拉格反射方法是较为常用的一种，由该方法获得的单频光纤缴光器具有窄线宽、频率可调、相干长度长以及噪声低等性能。

阵列式及分布式的光纤传感技术通常可以满足各种民用监测的需求，故在桥梁、建筑物、公路和石油化工等领域得到了广泛的应用［3］。

激光加工技术的设计与实现第一章激光加工技术的概述激光加工技术是一种基于激光器对材料进行加工的新型制造技术，它通过调节激光器输出功率、波长和光束的聚焦位置来实现多种不同的加工效果。

激光加工技术具有精度高、效率高、加工范围广等优点，在航空、汽车、电子、医疗等领域得到广泛应用。

第二章激光加工技术的设计2.1 设计原理激光加工技术的设计原理是通过激光增幅媒介的反向受激发射过程使激光器输出的激光束在通过聚焦透镜之后，聚焦到一个非常小的点上，使其能够达到很高的功率密度，从而使材料受到的热输入足够大，达到加工的目的。

2.2 设计流程激光加工技术的设计流程分为以下几个步骤：1. 确定加工目标：首先需要确定需要加工的材料和加工目标，如需要切割、雕刻、焊接等。

2. 确定激光器参数：根据加工目标，选择适当的激光器，确定输出功率、输出波长、光束质量等参数。

3. 选择透镜和聚焦头：选择适当的透镜和聚焦头对激光进行聚焦和集中，以达到所需的焦点尺寸和功率密度。

4. 设计机械系统：根据加工要求，设计适当的机械系统来实现激光器的移动和材料的定位。

5. 确定加工参数：根据所选材料、激光器参数和焦距等，确定最佳加工参数，如加工速度、功率密度等。

第三章激光加工技术的实现3.1 整体系统实现整体系统实现包括激光器、光学元件、机械系统、控制系统等部分。

激光器的输出经过多组光学元件的聚焦和分配，注入到加工头部，然后通过控制系统对激光器和机械系统进行控制，从而实现对材料的加工。

3.2 加工模式实现加工模式是指在加工过程中，激光束的照射模式，如点、线、面等，不同的加工模式对应不同的加工形式。

激光加工技术的加工模式实现一般有以下几种：1. 点模式：激光束直接聚焦成一个点照射到材料表面，针对性强，适合进行点焊和打孔操作等。

2. 线模式：将激光束聚焦成一条线段，在材料上进行快速轮廓切割等操作。

3. 面模式：将激光束扩大，成为一个平面，进行表面改性等大范围加工。

激光器的设计与制作激光器是一种产生和放大一束相干光的装置，被广泛用于科学研究、医疗、通讯和工业领域。

激光器的设计与制作涉及多个方面，包括激光介质的选择、光学器件的设计和激光束的控制等。

在本文中，将介绍激光器的一般设计和制作流程。

激光器的设计首先需要选择合适的激光介质。

常见的激光介质包括气体、固体和半导体等。

不同的激光介质具有不同的波长和功率输出范围，选择合适的激光介质是激光器设计的基础。

在选择激光介质时，需要考虑到使用环境、应用需求和成本等因素。

激光器的核心部件是激光腔，在激光腔中实现光的受激辐射放大过程。

激光腔通常包括激光介质、光学器件和反射镜等。

激光介质放置在腔内，光学器件用于耦合和调整光束，反射镜用于反射光束。

激光腔的设计需要考虑光学器件的选型和位置，以及反射镜的反射率和位置等参数。

激光器的工作原理是通过激发激光介质中的原子或分子，使其跃迁到高能级，并在受激辐射的作用下发射出一束相干光。

为了实现这一过程，激光器通常需要使用泵浦源来提供能量。

泵浦源可以是光源或电源，其目的是提供足够的能量激发激光介质。

激光器的制作需要进行精确的光学设计和工艺过程。

首先，需要使用光学设计软件对激光器进行模拟和优化。

通过调整激光腔的参数和光学器件的位置，可以得到良好的激光输出特性。

然后，根据设计结果制作激光器的实体结构。

制作过程包括材料选择、加工和装配等。

需要注意的是，激光器的制作过程需要保持高度的纯净度和精确性，以确保激光器的性能和可靠性。

除了激光器的设计和制作，还需要进行激光束的控制和调整工作。

光束的控制包括对光束的聚焦、调整和稳定等。

这通常通过使用透镜、扫描器和稳定装置等光学器件来实现。

激光束的控制是激光器应用中至关重要的一步，它直接影响到激光器在不同领域的应用效果和效率。

总结起来，激光器的设计与制作是一个复杂而精细的过程。

它需要选取合适的激光介质，设计激光腔和光学器件，进行激光器的制作，并对激光束进行控制和调整。

实验五 光纤激光器与光纤放大器的设计实验一、实验目的1、掌握掺铒有源光纤的增益放大特性；2、掌握光纤激光器的原理及其基本结构，掌握光纤激光器的设计及其波长调谐方法；3、掌握光纤放大器的原理及其基本结构，掌握光纤放大器的设计以及基本特性参数的测试方法。

二、实验原理（一）光纤激光器的基本结构光纤激光器和其它激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成。

纵向泵浦的光纤激光器的结构如图1所示。

图1 光纤激光器原理示意图一段掺杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从左面腔镜耦合进入光纤。

左面镜对于泵浦光全部透射和对于激射光全反射，以便有效利用泵浦光和防止泵浦光产生谐振而造成输出光不稳定。

右面镜对于激射光部分透射，以便造成激射光子的反馈和获得激光输出。

这种结构实际上就是Fabry-perot 谐振腔结构。

泵浦波长上的光子被介质吸收，形成粒子数反转，最后在掺杂光纤介质中产生受激发射而输出激光。

激光输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的，依赖于激光工作介质。

对于连续输出，激光上能级的自发发射寿命必须长于激光下能级以获得较高的粒子数反转。

通常当激光下能级的寿命超过上能级时只能获得脉冲输出。

光纤激光器有两种激射状态，一种是三能级激射，另一种是四能级激射，图2(a)、(b)分别表示三能级和四能级系统的跃迁系统的简化能级图。

两者的差别在于较低能级所处的位置。

在三能级系统中，激光下能级即为基态，或是极靠近基态的能级。

而在四能级系统中激光下能级和基态能级之间仍然存在一个跃迁，通常为无辐射跃迁，电子从基态提升到高于激光上能级的一个或多个泵浦带，电子一般通过非辐射跃迁到达激光上能级。

泵浦带上的电子很快弛豫到寿命比较长的亚稳态，在亚稳态上积累电子造成粒子数多于激光下能级，既形成粒子数反转。

电子以辐射光子的形式放出能量回到基态。

这种自发发射的光子被光学谐振腔反馈回增益介质中诱发受激发射，产生与诱发这一过程的光子性质完全相同的光子，当光子在谐振腔内所获得的增益大于其在腔内损耗时，就会产生激光输出。