激光器原理

激光器是利用受激辐射方法产生可见光或不可见光的一种器件，构造复杂，技术壁垒较高，是大量光学材料和元器件组成的综合系统，居于整个激光产业链的核心中枢位置，主要由光学系统、电源系统、控制系统和机械机构四个部分组成，其中光学系统主要由泵浦源（激励源）、增益介质（工作物质）和谐振腔等光学器件材料组成。增益介质是光子产生的源泉，通过吸收泵浦源产生的能量，使得增益介质从基态跃迁到激发态。由于激发态为不稳定状态，此时，增益介质将释放能量回归到基态的稳态。在这个释能的过程中，增益介质产生出光子，且这些光子在能量、波长、方向上具有高度一致性，它们在光学谐振腔内不断反射，往复运动，从而不断放大，最终通过反射镜射出激光，形成激光束。作为终端设备的核心光学系统，激光器的性能往往直接决定激光设备输出光束的质量和功率，是下游激光设备最核心的部件。

泵浦源（激励源）为增益介质提供能量激励。增益介质受激后产生光子从而生成并放大激光。谐振腔是光子特性（频率、相位和运行方向）的调节场所，通过控制腔内光子振荡来获得高质量的输出光源。

激光芯片

半导体激光芯片是采用半导体芯片制造工艺，以电激励源方式，以半导体材料为增益介质，将注入电流的电能激发，从而实现谐振放大选模输出激光，实现电光转换。其增益介质与衬底主要为掺杂 III-V 族化合物的半导体材料，如 GaAs（砷化镓），InP（磷化铟）等。

半导体激光芯片根据谐振腔制造工艺的不同分为边发射激光芯片（EEL：Edge Emitting Lasers）和面发射激光芯片（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）两种。

二、激光器构成：

激光器是激光的发射装置，其核心器件主要包括泵浦源、工作物质和谐振腔三部分。

泵浦源（激光产生的动力源）：

泵浦源在激光器中承担激励源的功能，其目的是使工作物质中的粒子处于反转分布的状态，由于受激辐射的光子数目与入射光子数目和物质中粒子反转分布数目成正比，通过泵浦源的持续激励，工作物质中就能够辐射出大量特征状态一致的光子，形成初始的激光。

工作物质（受激辐射的主要对象，也称工作介质、增益介质）：

如果说泵浦源是激光产生的驱动力，那么工作物质就是泵浦源的主要鞭策对象，驱使他源源不断的辐射出光子。由于激光的产生需要物质中粒子具备反转分布状态，所以就要求工作物质存在亚稳态能级。工作物质按形态不同主要可以分为固体、气体、液体和半导体。按照使用的工作物质种类，激光器相应的也被分为固体、气体、液体、半导体激光器等。

气体中具有代表性的是CO2气体激光器，固体中具有代表性的包括红宝石激光器、半导体激光器、光纤激光器和YAG 激光器等；液体激光器是利用某些液体（通常是有机溶剂，如染料）作为产生激光的工作务实，发射出激光。

谐振腔（激光的放大器）：

工作物质通过泵浦源受激辐射出光子后，还需要经过一道“增益”环节来使发射出的激光达到一定阈值，谐振腔就在激光器中承担增益放大的功能。最基础的谐振腔结构可以理解为平行放在工作物质两边的两面不同的反射镜，一面反射率为100%，一面则根据所需要的激光阈值部分透射。由于光强与光子数密度成正比，初始受激辐射产生的光子通过在谐振腔中来回振荡不断穿过工作物质获得持续放大，并最终达到符合要求的阈值。

（光学谐振腔通常由一面全反射镜及一面部分反射镜构成，用来加强输出激光的亮度，调节和选定激光的波长和方向的装置。光线在两镜间来回不断反射的腔叫光学谐振腔。）

在选用工作物质相同的情况下，谐振腔和泵浦源就成为决定激光器发射光束的质量、性能的关键所在，同时也是激光器的技术核心点。除此之外，激光器中还有耦合器、隔离器、调制器等起到调节光束方向、频率等辅助作用的无源器件，共同组成一个完整的激光器装置。

三、光纤激光器

（此节资料主要来源于：光纤激光器市场爆发之际，核心元器件国产化正当时）

在激光产业链中，激光器件属于激光器的上游零部件，从激光器全球市场看，光纤激光器、半导体激光器和全固态激光器占据主导地位，其中光纤激光器占全球激光器规模的近40-50%。

光纤激光器的构成：光纤激光器主要由泵源、合束器、光纤光栅、光纤、剥模器、隔离器（脉冲）、激光输出头等元器件构成。下图为中高功率（连续）光纤激光器构成示意图。

1）半导体泵浦源

约占光纤激光器总成本比例的50%，甚至更高。泵浦源中的核心部件包括激光芯片和慢轴准直镜（SAC）、快轴准直镜（FAC）、偏振分束/合束器（PBS/PBC）、反射镜（Mirror）、聚焦透镜（Focusing lens）、光纤头(FTA)等激光光学元器件。图2为泵浦源元器件示意图。每个泵浦源需要使用1个偏振分束/合束器和1个聚焦透镜和1个光纤头，激光芯片使用数量取决于泵浦源的功率和单芯片功率，而每个激光芯片需要与1个慢轴准直镜，1个快轴准直镜和1个反射镜配套使用。

激光芯片作为半导体泵浦源的核心部件，其功率高低和性能稳定性直接影响输出激光性能。激光芯片作为国内激光产业链十分薄弱的环节，长期以来我国高功率激光芯片几乎全部依赖进口，进口价格相对较高并且存在技术封锁。美国Lumentum和Ⅱ-Ⅵ、德国欧司朗等公司具备高功率激光芯片制造能力且可以外销，而美国 IPG、德国通快、Nlight可以制造该类芯片但不对外销售。

光学元器件也是泵浦源的重要组成部分，其损伤阈值、同轴精度、镀膜质量等直接影响输出激光性能。其中快轴准直镜是一种非圆柱面微透镜，技术难度大，全球范围内仅少数几家公司掌握加工技术，市场主要供应商有Limo、Fisba、Svetwheel、海创光电等。几年前国内该产品完全依赖进口，但随着炬光科技收购Limo、海创光电自主研发出FAC产品后，国内FAC已实现国产替代，技术也达到国际领先水平。慢轴准直透镜、反射镜、偏振分束/合束器、聚焦透镜、镀膜光纤等其它泵浦源光学元器件均已实现国产替代，目前主要供应商有海创光电、炬光科技、Fisba、Ingeneric、II-VI、腾景科技等。

2）光纤

光纤分为有源光纤和无源光纤，占光纤激光器总成本的10%。无源光纤通过熔接的方式将光学器件各自部分的无源光纤连接实现激光在内部的传输，不参与波长的转换。有源光纤又称增益光纤，在光纤激光器中起着增益介质的作用，通过实现泵浦光到信号光的能量转换及在谐振腔内将泵浦光能量放大。另外，特种光纤作为一种在特定的波长上使用的特殊光纤，是光纤激光器中的关键原材料，同时也是激光传输最便捷的传输介质。

3）光纤光栅

谐振腔的作用是筛选一定方向光子并进行放大。光纤激光器的谐振腔由光纤光栅构成，光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，可以简单理解为存在于光纤中的反射镜，可决定激光器的输出波长与带宽，可控制激光模式与输出激光光束质量，是光纤激光器外购部件中成本较高的器件之一，大约占光纤激光器总成本的2%~5%。每台激光器需光纤光栅2只（即一对）。

4）合束器

合束器是利用熔融拉锥光纤束技术，将多束光纤合成为一根光纤所形成的器件，它可以将多束较低功率激光合成为一束更高功率激光。合束器主要分为泵浦合束器和功率合束器，其中泵源合束器主要占整个光纤激光器元器件成本的5%。

泵浦合束器是实现高功率单模块光纤激光器输出的关键器件；稳定的功率合束器技术是多模激光合束输出的基础。攻克光纤合束器的关键技术，研制出高效率高功率的光纤功率合束器，为获得大功率光纤激光提供强有力的支撑，已成为当今光纤激光领域亟需解决的关键问题。

5）激光输出头

激光输出头能够实现将激光在应用场地远距离柔性输出，从而将输出激光传导至加工材料上，完成激光加工应用。激光输出头内部结构复杂，需要同时兼具传输、散热、防回反光、预警等多功能，技术含量很高，占整个光纤激光器成本的3%。

6）隔离器

隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是利用磁光晶体的法拉第效应，使反射的光能够被隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。隔离器允许光以较低损耗从一个方向透过，同时以较大损耗阻止光反向通过。它放置在发射光路上，避免激光器在反射光下引起的性能劣化