激光器原理

發(fā)布時(shí)間：2025-08-17 | 來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)載和整理

激光器原理

激光器是利用受激輻射方法產(chǎn)生可見(jiàn)光或不可見(jiàn)光的一種器件，構(gòu)造復(fù)雜，技術(shù)壁壘較高，是大量光學(xué)材料和元器件組成的綜合系統(tǒng)，居于整個(gè)激光產(chǎn)業(yè)鏈的核心中樞位置，主要由光學(xué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)械機(jī)構(gòu)四個(gè)部分組成，其中光學(xué)系統(tǒng)主要由泵浦源（激勵(lì)源）、增益介質(zhì)（工作物質(zhì)）和諧振腔等光學(xué)器件材料組成。增益介質(zhì)是光子產(chǎn)生的源泉，通過(guò)吸收泵浦源產(chǎn)生的能量，使得增益介質(zhì)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)態(tài)為不穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)，增益介質(zhì)將釋放能量回歸到基態(tài)的穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)釋能的過(guò)程中，增益介質(zhì)產(chǎn)生出光子，且這些光子在能量、波長(zhǎng)、方向上具有高度一致性，它們?cè)诠鈱W(xué)諧振腔內(nèi)不斷反射，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而不斷放大，最終通過(guò)反射鏡射出激光，形成激光束。作為終端設(shè)備的核心光學(xué)系統(tǒng)，激光器的性能往往直接決定激光設(shè)備輸出光束的質(zhì)量和功率，是下游激光設(shè)備最核心的部件。

泵浦源（激勵(lì)源）為增益介質(zhì)提供能量激勵(lì)。增益介質(zhì)受激后產(chǎn)生光子從而生成并放大激光。諧振腔是光子特性（頻率、相位和運(yùn)行方向）的調(diào)節(jié)場(chǎng)所，通過(guò)控制腔內(nèi)光子振蕩來(lái)獲得高質(zhì)量的輸出光源。

激光芯片

半導(dǎo)體激光芯片是采用半導(dǎo)體芯片制造工藝，以電激勵(lì)源方式，以半導(dǎo)體材料為增益介質(zhì)，將注入電流的電能激發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)諧振放大選模輸出激光，實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。其增益介質(zhì)與襯底主要為摻雜 III-V 族化合物的半導(dǎo)體材料，如 GaAs（砷化鎵），InP（磷化銦）等。

半導(dǎo)體激光芯片根據(jù)諧振腔制造工藝的不同分為邊發(fā)射激光芯片（EEL：Edge Emitting Lasers）和面發(fā)射激光芯片（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）兩種。

二、激光器構(gòu)成：

激光器是激光的發(fā)射裝置，其核心器件主要包括泵浦源、工作物質(zhì)和諧振腔三部分。

泵浦源（激光產(chǎn)生的動(dòng)力源）：

泵浦源在激光器中承擔(dān)激勵(lì)源的功能，其目的是使工作物質(zhì)中的粒子處于反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)，由于受激輻射的光子數(shù)目與入射光子數(shù)目和物質(zhì)中粒子反轉(zhuǎn)分布數(shù)目成正比，通過(guò)泵浦源的持續(xù)激勵(lì)，工作物質(zhì)中就能夠輻射出大量特征狀態(tài)一致的光子，形成初始的激光。

工作物質(zhì)（受激輻射的主要對(duì)象，也稱工作介質(zhì)、增益介質(zhì)）：

如果說(shuō)泵浦源是激光產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，那么工作物質(zhì)就是泵浦源的主要鞭策對(duì)象，驅(qū)使他源源不斷的輻射出光子。由于激光的產(chǎn)生需要物質(zhì)中粒子具備反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，所以就要求工作物質(zhì)存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。工作物質(zhì)按形態(tài)不同主要可以分為固體、氣體、液體和半導(dǎo)體。按照使用的工作物質(zhì)種類，激光器相應(yīng)的也被分為固體、氣體、液體、半導(dǎo)體激光器等。

氣體中具有代表性的是CO2氣體激光器，固體中具有代表性的包括紅寶石激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器和YAG 激光器等；液體激光器是利用某些液體（通常是有機(jī)溶劑，如染料）作為產(chǎn)生激光的工作務(wù)實(shí)，發(fā)射出激光。

諧振腔（激光的放大器）：

工作物質(zhì)通過(guò)泵浦源受激輻射出光子后，還需要經(jīng)過(guò)一道“增益”環(huán)節(jié)來(lái)使發(fā)射出的激光達(dá)到一定閾值，諧振腔就在激光器中承擔(dān)增益放大的功能。最基礎(chǔ)的諧振腔結(jié)構(gòu)可以理解為平行放在工作物質(zhì)兩邊的兩面不同的反射鏡，一面反射率為100%，一面則根據(jù)所需要的激光閾值部分透射。由于光強(qiáng)與光子數(shù)密度成正比，初始受激輻射產(chǎn)生的光子通過(guò)在諧振腔中來(lái)回振蕩不斷穿過(guò)工作物質(zhì)獲得持續(xù)放大，并最終達(dá)到符合要求的閾值。

（光學(xué)諧振腔通常由一面全反射鏡及一面部分反射鏡構(gòu)成，用來(lái)加強(qiáng)輸出激光的亮度，調(diào)節(jié)和選定激光的波長(zhǎng)和方向的裝置。光線在兩鏡間來(lái)回不斷反射的腔叫光學(xué)諧振腔。）

在選用工作物質(zhì)相同的情況下，諧振腔和泵浦源就成為決定激光器發(fā)射光束的質(zhì)量、性能的關(guān)鍵所在，同時(shí)也是激光器的技術(shù)核心點(diǎn)。除此之外，激光器中還有耦合器、隔離器、調(diào)制器等起到調(diào)節(jié)光束方向、頻率等輔助作用的無(wú)源器件，共同組成一個(gè)完整的激光器裝置。

三、光纖激光器

（此節(jié)資料主要來(lái)源于：光纖激光器市場(chǎng)爆發(fā)之際，核心元器件國(guó)產(chǎn)化正當(dāng)時(shí)）

在激光產(chǎn)業(yè)鏈中，激光器件屬于激光器的上游零部件，從激光器全球市場(chǎng)看，光纖激光器、半導(dǎo)體激光器和全固態(tài)激光器占據(jù)主導(dǎo)地位，其中光纖激光器占全球激光器規(guī)模的近40-50%。

光纖激光器的構(gòu)成：光纖激光器主要由泵源、合束器、光纖光柵、光纖、剝模器、隔離器（脈沖）、激光輸出頭等元器件構(gòu)成。下圖為中高功率（連續(xù)）光纖激光器構(gòu)成示意圖。

1）半導(dǎo)體泵浦源

約占光纖激光器總成本比例的50%，甚至更高。泵浦源中的核心部件包括激光芯片和慢軸準(zhǔn)直鏡（SAC）、快軸準(zhǔn)直鏡（FAC）、偏振分束/合束器（PBS/PBC）、反射鏡（Mirror）、聚焦透鏡（Focusing lens）、光纖頭(FTA)等激光光學(xué)元器件。圖2為泵浦源元器件示意圖。每個(gè)泵浦源需要使用1個(gè)偏振分束/合束器和1個(gè)聚焦透鏡和1個(gè)光纖頭，激光芯片使用數(shù)量取決于泵浦源的功率和單芯片功率，而每個(gè)激光芯片需要與1個(gè)慢軸準(zhǔn)直鏡，1個(gè)快軸準(zhǔn)直鏡和1個(gè)反射鏡配套使用。

激光芯片作為半導(dǎo)體泵浦源的核心部件，其功率高低和性能穩(wěn)定性直接影響輸出激光性能。激光芯片作為國(guó)內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)直∪醯沫h(huán)節(jié)，長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)高功率激光芯片幾乎全部依賴進(jìn)口，進(jìn)口價(jià)格相對(duì)較高并且存在技術(shù)封鎖。美國(guó)Lumentum和Ⅱ-Ⅵ、德國(guó)歐司朗等公司具備高功率激光芯片制造能力且可以外銷，而美國(guó) IPG、德國(guó)通快、Nlight可以制造該類芯片但不對(duì)外銷售。

光學(xué)元器件也是泵浦源的重要組成部分，其損傷閾值、同軸精度、鍍膜質(zhì)量等直接影響輸出激光性能。其中快軸準(zhǔn)直鏡是一種非圓柱面微透鏡，技術(shù)難度大，全球范圍內(nèi)僅少數(shù)幾家公司掌握加工技術(shù)，市場(chǎng)主要供應(yīng)商有Limo、Fi***a、Svetwheel、海創(chuàng)光電等。幾年前國(guó)內(nèi)該產(chǎn)品完全依賴進(jìn)口，但隨著炬光科技收購(gòu)Limo、海創(chuàng)光電自主研發(fā)出FAC產(chǎn)品后，國(guó)內(nèi)FAC已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，技術(shù)也達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。慢軸準(zhǔn)直透鏡、反射鏡、偏振分束/合束器、聚焦透鏡、鍍膜光纖等其它泵浦源光學(xué)元器件均已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，目前主要供應(yīng)商有海創(chuàng)光電、炬光科技、Fi***a、Ingeneric、II-VI、騰景科技等。

2）光纖

光纖分為有源光纖和無(wú)源光纖，占光纖激光器總成本的10%。無(wú)源光纖通過(guò)熔接的方式將光學(xué)器件各自部分的無(wú)源光纖連接實(shí)現(xiàn)激光在內(nèi)部的傳輸，不參與波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換。有源光纖又稱增益光纖，在光纖激光器中起著增益介質(zhì)的作用，通過(guò)實(shí)現(xiàn)泵浦光到信號(hào)光的能量轉(zhuǎn)換及在諧振腔內(nèi)將泵浦光能量放大。另外，特種光纖作為一種在特定的波長(zhǎng)上使用的特殊光纖，是光纖激光器中的關(guān)鍵原材料，同時(shí)也是激光傳輸最便捷的傳輸介質(zhì)。

3）光纖光柵

諧振腔的作用是篩選一定方向光子并進(jìn)行放大。光纖激光器的諧振腔由光纖光柵構(gòu)成，光纖光柵是一種通過(guò)一定方法使光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的衍射光柵，可以簡(jiǎn)單理解為存在于光纖中的反射鏡，可決定激光器的輸出波長(zhǎng)與帶寬，可控制激光模式與輸出激光光束質(zhì)量，是光纖激光器外購(gòu)部件中成本較高的器件之一，大約占光纖激光器總成本的2%~5%。每臺(tái)激光器需光纖光柵2只（即一對(duì)）。

4）合束器

合束器是利用熔融拉錐光纖束技術(shù)，將多束光纖合成為一根光纖所形成的器件，它可以將多束較低功率激光合成為一束更高功率激光。合束器主要分為泵浦合束器和功率合束器，其中泵源合束器主要占整個(gè)光纖激光器元器件成本的5%。

泵浦合束器是實(shí)現(xiàn)高功率單模塊光纖激光器輸出的關(guān)鍵器件；穩(wěn)定的功率合束器技術(shù)是多模激光合束輸出的基礎(chǔ)。攻克光纖合束器的關(guān)鍵技術(shù)，研制出高效率高功率的光纖功率合束器，為獲得大功率光纖激光提供強(qiáng)有力的支撐，已成為當(dāng)今光纖激光領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

5）激光輸出頭

激光輸出頭能夠?qū)崿F(xiàn)將激光在應(yīng)用場(chǎng)地遠(yuǎn)距離柔性輸出，從而將輸出激光傳導(dǎo)至加工材料上，完成激光加工應(yīng)用。激光輸出頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要同時(shí)兼具傳輸、散熱、防回反光、預(yù)警等多功能，技術(shù)含量很高，占整個(gè)光纖激光器成本的3%。

6）隔離器

隔離器是一種只允許單向光通過(guò)的無(wú)源光器件，其工作原理是利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)，使反射的光能夠被隔離器很好的隔離，提高光波傳輸效率。隔離器允許光以較低損耗從一個(gè)方向透過(guò)，同時(shí)以較大損耗阻止光反向通過(guò)。它放置在發(fā)射光路上，避免激光器在反射光下引起的性能劣化