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1、 编号 本科生毕业论文激光技术的应用与发展前景Application of laser technology and development prospects学 生 姓 名刘柏松专 业电子科学与技术学 号1012119指 导 教 师王德生分 院光电科学分院 2014年 6月摘 要自1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光器和激光放大器的发展非常迅速。激光工作物质已包括晶体、玻璃、光纤、气体、半导体、液体及自由电子等数百种之多。激光器诞生后,以激光器为基础的激光技术得到了广泛的应用,对军事、经济、工农业产生了很大的影响,取得了很好的经济效益和社会效益。本文就激光技术在不同领域的应用进行阐述，
2、对当前激光技术的应用进行研究，列出了激光在医学、军事、生物等多方面的重要发展，同时对现今比较热门的光纤激光器的发展进行说明。随着激光技术的不断发展和成熟，必将对我们的生活生产和科技起到不可估量的作用。关键词：激光、医学、军事、生物AbstractSince 1960, the advent of the first ruby laser, lasers and laser amplifier developed very rapidly. Laser material has been included crystals, glass, fiber, gas, semiconductor, e
3、lectronics, and other liquids and freedom of hundreds of species. After the birth of lasers, laser based laser technology has been widely used for military, economic, industrial and agricultural produce had a great impact, and achieved good economic and social benefits. In this paper, the applicatio
4、n of laser technology in different areas elaborated on the application of current laser technology research, lists many important advances in laser medicine, military, biology, and the development of todays more popular fiber lasers are described . As laser technology continues to evolve and mature,
5、 our life is bound to produce science and technology play an invaluable role.Keyword：Laser、Medicine、Military、Biology目 录引 言1第一章关于激光的概述11.1 激光的产生与发展11.2 激光的特性21.3 激光产生的意义3第二章激光技术的应用42.1 激光技术在医学上的应用42.2 激光技术在工业领域的应用52.3 激光技术在物种育种中的应用62.4 激光技术在全息摄影上的应用62.5 激光技术在军事上的应用7第三章光纤激光器的发展现状103.1 国外的发展现状103.2 国内的
6、发展现状12第四章激光技术的发展前景12参考文献14致 谢15引 言激光最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激辐射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程，激光的原理早在 1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激辐射”改称“激光”。激光应用很广泛，主要有激光打标、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光武器、激光唱片
7、、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等。第一章 关于激光的概述1.1 激光的产生与发展激光是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，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到 1960 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
8、了生产力的发展。原理：激光的理论基础起源于大物理学家爱因斯坦，1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论光与物质相互作用。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。发展时间：1917年：爱因斯坦提出“受激发射”理论，一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。1953年：美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（英文首字母
9、缩写maser）1957年：Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束，之后人们为其申请了专利，相关法律纠纷维持了近30年。1960年：美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光1961年：激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。1962年：发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。1971年：激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学
10、家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。1974年：第一个超市条形码扫描器出现1975年：IBM投放第一台商用激光打印机1978年：飞利浦制造出第一台激光盘（LD）播放机，不过价格很高1982年：第一台紧凑碟片（CD）播放机出现，第一部CD盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。1983年：里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器1988年：北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造1991年：第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。1996年：东芝推
11、出数字多用途光盘（DVD）播放器2008年：法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤2010年：美国国家核安全管理局（NNSA）表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘（质量数2）和氚（质量数3），解决了核聚变的一个关键困难。1.2 激光的特性1）定向发光普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离
12、月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。天文学家相信，外星人或许正使用闪烁的激光作为一种宇宙灯塔来尝试与地球进行联系。2）亮度极高在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因
13、是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的，而且它是人类创造的。3）颜色极纯光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光
14、，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到210-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。4）能量密度极大光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.8461014 Hz到7.8951014 Hz。1.3 激光产生的意义激光是一种清洁的绿色能源, 生产效率高、成本低, 加工质量稳定可靠, 具有良好的经济效益和社会效益。世界各国尤其是工
15、业发达国家, 都在大力推广应用激光加工技术。据统计, 1998 年全球的激光技术产业营业额高达647 亿美元, 我国的激光产业约1 亿美元。在激光产业规模上我国远远落后于世界同行业水平, 这也与我国的研究水平很不相称, 主要问题是实际应用, 特别是制造水平上存在差距。激光器的光束质量是决定激光技术应用的关键, 我国生产的激光器对光束质量还没有明确标定。另外, 激光技术是多学科、多专业的交叉, 还有与之相关的技术配合、衔接等问题, 也影响到其应用。重视光束质量, 提高激光器的制造水平, 深入进行应用研究, 才能赢得市场, 才能促进激光技术的应用和发展。第二章 激光技术的应用2.1 激光技术在医学
16、上的应用激光是一方向性强，单色性能好和能高度集中的相干光束，利用透镜能聚焦成非常小的光点，在光点上其能量密度非常高，并且可以在几个微秒或几个毫秒之内发生作用，激光的光点经聚焦以后其直径可达几十个微米，因而在治疗时可以精确地选择病变部位。 激光以其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题。激光治疗最早应用于眼科，对视网膜剥离、眼底血管病变、虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治疗。激光手术刀具有术中出血少，可减少细菌感染等优点。激光与中医针灸术结合而形成的“光针”，对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。激光技术为现代医学提供了一种“神力”，能够治疗内科、外科、眼科、皮肤、肿瘤和耳鼻喉科的1
17、00多种疾病。 低强度医用激光器利用光生物调节作用(photobiomodulation，PBM)调节细胞、器官或组织的功能。PBM是低强度单色光或激光(10w intensity monochromatic lightor laser irradiation，LIL)对生物系统的一种非损伤非热的光化学调节作用。与分子发生共振作用的激光波长称为分子的特征波长。内源性光敏剂的特征波长在可见光区域。细胞膜蛋白的特征波长比长波紫外(320400nm)(ultraviolet AUVA)短。uL作用对象的基本单位是细胞，介导细胞PBM有两条通路：内源性光敏剂介导PBM的特异性通路，主要通过适量活性氧(
18、reactive oxygenspecies，ROS)进行调节；细胞膜上蛋白质分子介导PBM的非特异性通路，主要通过信号转导和基因表达进行调节，服从PBM的生物信息模型。高强度医用激光器利用高强度激光(tugh intensity laserirradiationHIL)的光热效应、冲击波和光声效应等进行手术。HIL手术和PBM在医学中的应用几乎总是各自独立发展。HIL光束中心强度非常高，可能损伤损伤半径以内的细胞，但光束在损伤半径以外的平均强度属于低强度范围，可以对损伤半径以外的细胞产生PBM。HIL光束损伤半径以外的部分对没有损伤的细胞所产生的PBM可以简单地称为高强度激光生物调节作用(H
19、ILbiomodulation，HBM)。所以HIL光束在损伤半径以内可以切除组织；损伤半径以外的HBM依赖于HIL在损伤半径以外的平均剂量，可促进剩余器官的生长乃至恢复器官的正常功能，或抑制剩余组织的生长。2.2 激光技术在工业领域的应用激光因具有单色性、相干性、和平行性三大优点，将此应用于材料加工，形成一门新型的加工工业激光工业。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，与计算机数控技术相结合，可构成高效自动化加工设备。广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等重要部门，对提高劳动生产率、产品质量、自动化、无污染、减少材料消耗等起重要作
20、用。经过不断的研究开发，激光已经广泛应用于切削加工、焊接、表面工程技术、非金属材料和硬质合金加工等方面。激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度激光束辐照加热，使熔覆材料和基材表面薄层发生熔化，并快速凝固，从而在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层田。激光熔覆具有如下优点：激光束的能量密度高，加热速度快，对基材的热影响较小，引起工件的变形小；控制激光的输入能量，可将基材的稀释作用限制在极低的程度(一般为28)，从而保持了原熔覆材料的优异性能；激光熔覆层与基材之间结合牢固(冶金结合)，且熔覆层组织细小。这些特点使得激光熔覆技术近十年来在材料表面改性方面受到高度的重视。激光堆焊可以获
21、得高性能(如耐磨性、耐腐蚀性能、抗氧化性能、热障性能等)的合金堆焊层，而且具有激光堆焊层与基体的结合为冶金结合，组织极细，覆层成分及稀释率可控，覆层厚度大，热变形小，易实现选区堆焊，工艺过程易实现自动化等特点。因此激光堆焊技术在材料的表面处理方面倍受关注，并在工业易损件修复、双金属零件的制造等方面应用上已经取得了一定的成果。激光堆焊材料的成分直接决定了堆焊层的使用性能，为了适应复杂的应用环境，人们研究出了多种成分、多种形态的堆焊材料。目前常用的堆焊材料为铁基合金、钴基合金、镍基合金。它们共同的特点是较低的应力磨粒磨损能力，优良的耐磨蚀、耐热和抗高温氧化性能。其中铁基合金不仅因其价格低廉、而且由
22、于通过调整成分、组织。可以在很大范围内改变堆焊层的强度、硬度、韧性、耐磨、耐蚀、耐热和抗冲击性。是应用最为广泛的一种堆焊合金。 激光对金属材料的表面处理，是近十年来发展起来的一项新技术。无论是对黑色金属还是有色金属，在实践的应用中它都显示了独特的优越性，并在工业生产上得到了广泛的应用。用激光处理金属，一般是以一定模式的激光光束对准工件需处理的部位，由工件随工作台的移动（转动或平移）来实现激光扫描。为防止表面氧化及等离子体的生成，常采用惰性气体保护系统，一般工件的处理均为空冷，有些特殊要求件也可采用液氮冷却。由于激光加工显示出明显的质量和效益上的优越性，使其应用得到迅速发展。2.3 激光技术在物
23、种育种中的应用激光具有高光亮性、高单色性、高方向性和高相干性等一系列特点，用它照射作物种子可引起基因突变和染色体畸变，选择合理的激光波长和剂量及照射时间能够诱发植株矮生、提高抗病虫害能力、提早成熟和增加产量等多种变异。随着国内外激光技术的飞速发展和研究水平的深入，激光诱变技术在作物诱变育种，品种改良的生产实践中得到了广泛推广和应用。激光能诱发生物遗传结构改变，甚至发生突变，从而培育出优良的新品种，这种科学方法称为激光育种。激光诱变育种的机理后来从物理与数学角度作了研究。首先进行了种子光学性质的研究，得出的辐照剂量与实际情况在数量级上一致。接着又用量子理论、非线性理论研究了激光与DNA作用。进行
24、了势函数分析、混沌态分析、遗传信息态迁移率定义，主共振、次谐波共振、超谐波共振、组合共振及随机共振的研究。研究表明，DNA 是在激光力、阻尼力及随机力三者协同作用下引起变异的。在一定条件下，随机力起了关键作用。研究结果成功解释了各种频率激光均能引起DNA 突变，都能进行激光诱变育种的现象。现在已发展到激光与电离射线复合育种，它能扩大变异谱，提高有利变异频率。2.4 激光技术在全息摄影上的应用激光全息摄像术是一种二步成像的摄像技术，获得的信息是三维立体信息。 随着因特网、宽带综合业务数字网以及多媒体通信的迅速发展，对光通信系统传输速率和宽带的要求越来越高，波分复用（WDM）、光码分多址（OCDM
25、A）和全光交换等新技术和新概念应运而生，对光电子器件提出了越来越高的要求。 全息技术由于自身的特点，正在为光通信器件的研发提出了新的思路和方法，逐渐引起人们的重视。因此，激光全息技术的发展能够开拓巨大的应用市场，应不断拓宽激光全息技术的应用领域，促进激光全息技术和应用的进一步发展。全息摄影采用激光作为照明光源，并将光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息。人眼直接去看这种感光的底片，只能看到像指纹一样的干涉条纹
26、，但如果用激光去照射它，人眼透过底片就能看到原来被拍摄物体完全相同的三维立体像。一张全息摄影图片即使只剩下一小部分，依然可以重现全部景物。全息摄影可应用于工业上进行无损探伤，超声全息，全息显微镜，全息摄影存储器，全息电影和电视等许多方面。产生全息图的原理可以追溯到300年前，也有人用较差的相干光源做过试验，但直到1960 年发明了激光器这是最好的相干光源全息摄影才得到较快的发展。激光全息摄影是一门崭新的技术，它被人们誉为20世纪的一个奇迹。它的原理于1947年由匈牙利籍的英国物理学家丹尼斯加博尔发现，它和普通的摄影原理完全不同。直到10多年后，美国物理学家雷夫和于帕特倪克斯发明了激光后，全息摄
27、影才得到实际应用。可以说，全息摄影是信息储存和激光技术结合的产物。激光全息摄影包括两步：记录和再现。1）激光全息摄影记录全息记录过程是：把激光束分成两束；一束激光直接投射在感光底片上，称为参考光束；另一束激光投射在物体上，经物体反射或者透射，就携带有物体的有关信息，称为物光束.物光束经过处理也投射在感光底片的同一区域上.在感光底片上，物光束与参考光束发生相干叠加，形成干涉条纹，这就完成了一张全息图。2）激光全息摄影再现全息再现的方法是：用一束激光照射全息图，这束激光的频率和传输方向应该与参考光束完全一样，于是就可以再现物体的立体图象。人从不同角度看，可看到物体不同的侧面，就好像看到真实的物体一
28、样，只是摸不到真实的物体。全息成像是尖端科技，全息照相和常规照相不同，在底片上记录的不是三维物体的平面图象，而是光场本身。常规照相只记录了反映被拍物体表面光强的变化，即只记录光的振幅，全息照相则记录光波的全部信息，除振幅外还记录了光波的图相。即把三维物体光波场的全部信息都贮存在记录介质中。2.5 激光技术在军事上的应用1）激光雷达激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、
29、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统 、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等
30、激光雷达。激光雷达的特点与普通微波雷达相比,激光雷达由于使用的是激光束,工作频率较微波高了许多,因此带来了很多特点,主要有：（1）分辨率高激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标(这是微波雷达无论如何也办不到的),并可同时跟踪多个目标；距离分辨率可达0.lm；速度分辨率能达到10m/s以内。距离和速度分辨率高,意味着可以利用距离多谱勒成像技术来获得目标的清晰图像。分辨率高,是激光雷达的最显著的优点,其多数应用都是基于此。（2）隐蔽性好、抗有源干扰能力强激光直线传播、方向性好、光束非常窄,只有在其传播路径上才
31、能接收到，因此敌方截获非常困难，且激光雷达的发射系统(发射望远镜)口径很小,可接收区域窄，有意发射的激光干扰信号进入接收机的概率极低；另外，与微波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同，自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，因此激光雷达抗有源干扰的能力很强,适于工作在日益复杂和激烈的信息战环境中。（3）低空探测性能好微波雷达由于存在各种地物回波的影响,低空存在有一定区域的盲区(无法探测的区域)。而对于激光雷达来说,只有被照射的目标才会产生反射,完全不存在地物回波的影响，因此可以零高度工作，低空探测性能较微波雷达强了许多。（4）体积小、质量轻通常普通微波雷达的体积庞大，整套系统质量数
32、以吨记，光天线口径就达几米甚至几十米。而激光雷达就要轻便、灵巧得多,发射望远镜的口径一般只有厘米级,整套系统的质量最小的只有几十公斤，架设、拆收都很简便。而且激光雷达的结构相对简单，维修方便，操纵容易，价格也较低。激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达
33、、导航激光雷达等。2）自由空间光通信技术自由空间光通信(简称FsO)又称无线光通信。这是一种以激光(MHz)为载波，以自由空间为传输介质的新型通信技术。自由空间光通信系统一般包括三个基本部分：发射机、信道和接收机。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。系统所用的基本技术是光电转换。光发射机的光源在电信号的调制下。通过作为天线的光学望远镜将光信号通过自由空间传输信道传送到接收机望远镜；而在接收机中，望远镜接收光信号并将它聚焦在光电检测器中。再由光电检测器将光信号转换成电信号。FSO可用于空间及地面间通信。可进行数据、语音、电视、多媒体图像的高速双向传输。其传
34、输特点是将光束以直线传播。和其他无线通信相比。该方法不需要频率许可证，并具有频带宽、成本低廉、保密性好、低误码率、安装快速、抗电磁干扰、组网方便灵活等优点。根据其使用情况，自由空间光通信可分为点对点、点对多点、环形或网格状通信等。而从光万方传播的路径或信道来看。光在自由空间的传播介质有近地面大气层、远离地面的深空和水三种，因此，根据其传输信道特征又可分为：大气层光通信、星际(深空)光通信和水下光通信3）蓝绿激光对潜通信早在70年代初，美国海军就开始利用海水的这个所谓蓝绿光“窗口”为潜艇通信开辟新的途径。据悉，一些主要技术难关目前已全部解决，应用前景比较乐观，只是还存在一些实现上的问题。对潜蓝绿
35、激光通信是指利用在海水低损耗窗口波长上的篮绿激光，通过卫星或飞机与深水中潜行潜艇的通信，也包括水面舰只与潜艇之间的通信。(1)陆基系统由陆上基地台发出强脉冲激光束，经卫星上的反射镜，将激光束反射至所需照射的海域，实现与水下潜艇的通信。这种方式可通过星载反射镜扩束成宽光束，实现一个相当大范围内的通信；也可以控制成窄光束，以扫描方式通信。这种方案灵活，通信距离远，可用于全球范围内光束所能照射到的海域，通信速率也高，不容易被敌人截获，安全、隐蔽性好，但实现难度大。(2)天基系统与陆基方案不同的是，把大功率激光器置于卫星上完成上述通信功能，地面通过电通信系统对星上设备实施控制和联络。还可以借助一颗卫星
36、与另一颗卫星的星际之间的通信，让位置最佳的一颗卫星实现与指定海域的潜艇通信。这种方法不论是隐蔽性还是有效性都是不容置疑的，应该说它是激光对潜通信的最佳体制，当然实现的难度也很大。（3）空基系统将大功率激光器置于飞机上，飞机飞越预定海域时，激光束以一定形状的波束（如15Km长1Km宽的矩形）扫过目标海域，完成对水下潜艇的广播式通讯。如果飞机高度为10Km，以300m/s速度飞过潜艇上空时，激光束将在海面上扫过一条15Km宽的照射带。在飞机一次飞过潜艇上空的约3秒的时间内，可完成4080个汉字符号的信息量的通讯。这种方法实现起来较为容易，在条件成熟时，这种办法很容易升级至天基系统之中。激光通信的优
37、点是：穿透海水能力强，可实现与下潜400m以上的潜艇通信；工作频率高，通信频带宽，数据传输能力强；波束宽度窄，方向性好；设备轻小；抗截获、抗干扰、抗毁能力强；不受电磁以及核辐射的影响。但是，由于这种通信方式使用经大气传播的光波，在大气中会引起光散射，造成信号的衰减。第三章 光纤激光器的发展现状3.1 国外的发展现状光纤激光器是近年来激光领域关注的热点之一，也是目前实现高平均功率、高光束质量激光的重要手段之一。它最初在20世纪60年代由E.Snitzer提出，但由于光纤工艺、抽运技术及半导体激光器的发展等因素限制，一直进展缓慢，输出功率不高，直到1988年E.Snitzer等提出了双包层光纤以后
38、。使得高平均功率光纤激光器技术取得了重大突破，输出功率很快达到百瓦，2004年前后突破千瓦量级。目前美国的公司已可提供单模3kW，多模50kW的光纤激光器产品。双包层光纤是一种具有特殊结构的光纤，它由纤芯、内包层和外包层组成，比常规的光纤增加了一个内包层。其中，纤芯一般掺有稀土离子，如：Nd3+，Yb3+或Er3+等，其直径在微米至几十微米量级，是单模激光的传输波导；内包层包绕在纤芯的外围，是抽运光的传输波导，其直径和数值孔径(NA)都比较大，多为百微米，因此与传统光纤激光器需要将抽运光耦合到纤芯相比，双包层光纤激光器只需要将抽运光耦合到双包层中即可，其耦合效率很高。抽运光在内包层传输时，以全
39、反射方式反复穿越纤芯，被纤芯内的稀土离子吸收，从而产生单模激光，并具有很高的转换效率，如掺Yb(镱)光纤的光-光转换效率可达80%以上。近年来，随着双包层光纤制造技术、高功率LD抽运源技术以及先进的光束整形技术等的迅速发展，高功率光纤激光器技术也在日新月异，其关键技术包括包层抽运技术、谐振腔技术和调制技术等都获得了重大突破。包层抽运技术主要有端面抽运和侧面抽运两种方式。端面抽运又可以分为透镜直接耦合、光纤端面熔接耦合和多个小功率LD端面耦合等方式，它具有结构简单的优点，但存在输出功率有限，不容易扩展的缺点，目前实现千瓦级的高功率激光输出大都采用端面抽运或双端抽运的结构；侧面抽运主要有V形槽法、
40、狭缝法、角度磨抛法、二元衍射光栅嵌入镜法、熔接法、分布式包层和集中抽运等方式，功率容易扩展，但工艺非常复杂，目前国际上采用侧面抽运能实现高功率输出的还不多，处于研究状态。其中日本采用集中抽运方式获得了1kW的光纤激光输出，是采用侧泵方式实现的最高功率输出，但其制作工艺非常复杂。在研究抽运技术的同时，还发现抽运光的吸收效率与内包层的几何形状以及纤芯在包层中的位置也有非常重要的关系，典型的内包层结构有同心圆、偏心圆、方形、矩形、D形以及梅花形等形状，AnpingLiu等对此进行了研究，对各种内包层形状的吸收特性进行了计算。结果表明：同心圆形结构的吸收效率最低，而非圆形的内包层结构对抽运光的吸收效率
41、很高，目前实现大功率输出的双包层光纤多采用D形结构，既比较容易实现光纤制备，又具有比较高的吸收效率。双包层光纤激光器的谐振腔主要有两种方式，一是利用双色镜作为腔镜，与传统的固体激光器类似，实现起来比较容易，但无法实现全光封装，可靠性稍差，且不利于光纤激光器的实用化和产品化。另一种方式是采用光纤光栅作为谐振腔镜，光纤光栅具有非常好的波长选择特性，损耗低，并且可以和光纤熔接在一起，使抽运光耦合变得比较容易而且效率很高，整体的可靠性提高很多，易于实现全光结构，利于实用化和产品化。目前两种方式均被采用，但高功率的光纤激光器对光纤光栅的工艺要求很高，国内目前尚难以实现。从双包层光纤概念的提出以来，光纤激
42、光器发展非常迅速，1999年V.Dominic等用掺Yb双包层光纤作增益介质，利用4个45W的LD进行双端抽运，采用法布里-珀罗(F-P)腔结构实现了输出功率为110W的单模光纤激光输出，波长为1120nm，斜率效率为58%。到2004年前后，随着双包层光纤技术、高功率抽运源技术和抽运技术的发展，单根光纤激光器的连续输出功率很快从百瓦量级发展到千瓦量级。英国SPI的Y.Jeong等在2004年利用两个半导体激光器叠阵通过透镜耦合双端面抽运芯径为40mm，内包层为600mm的双包层光纤获得1.01kW，波长为1090nm，光束质量因子M2=3的光纤激光输出，并于同年年底研制成功1.36kW连续光
43、纤激光器，该激光器采用双端抽运12m长的双包层光纤，其纤芯为40mm，数值孔径低于0.05，内包层直径为600mm，采用两个975nmLD模块的抽运源，总抽运功率为1.8kW，获得1.36kW激光输出，斜率效率达83%，输出激光的波长为1.1mm，光束质量因子M2=1.4。美国公司采用多个单管分布式耦合的模块化结构使光纤激光器功率迅速提高到万瓦以上，其单模连续光纤的最大输出功率已达3kW11，目前已可提供50kW的光纤激光系统。另外，光子晶体光纤也是近年发展起来的一种大模体积光纤，目前，德国Jena大学利用单纤已得到1530W的高光束质量的激光输出。3.2 国内的发展现状国内高功率双包层光纤激
44、光器的研究起步较晚，1999年南开大学和电子46所合作成功研制出国内第一根双包层掺Yb光纤。2000年中国科学院上海光机所首次报道了输出功率3.84W，斜效率为55%的双包层光纤激光器，它采用端面抽运结构，输出波长1037nm。最近两年发展有很大的突破，多家单位实现千瓦级的激光输出。2006年，清华大学采用烽火通信提供的新型掺Yb双包层光纤(内包层直径为600mm，D形结构)，采用双端面抽运结构，在总抽运功率约为1020W时，获得714W激光输出，总光-光转换效率达到70%，斜率效率接近72%；2006年5月，中国兵器装备研究院研制成功的单根光纤激光器输出功率达到1049W，光-光转换效率大于
45、60%，电-光转换效率大于30%。2006年8月，华北光电技术研究所采用新型掺镱光纤(D形内包层，直径700mm)，研制出平均功率达1.2kW的光纤激光输出。该激光器对光纤两端面进行高精度抛磨处理，利用光纤端面的菲涅耳反射作输出腔镜，通过双色镜耦合输出激光。采用双端面抽运方案，当抽运光功率为1550W时，光纤激光输出功率为1207W，斜率效率为78.6%，输出功率波动约为1%。同年，中科院上海光机所报道他们采用国产光纤，也实现1kW输出。第四章 激光技术的发展前景生命和健康科学是一个非常强劲的市场,因为那里会永远不断地出现新的应用,其中很多是基于激光的应用,并且医药也在不断寻求改进。激光不再只
46、局限为一种外科手术工具,将会更加广泛地应用于医学诊断(如细胞影像)、药检、DNA排序、细胞分类以及蛋白质分析等方面。目前，光纤激光器可实现波段为8002100n的激光输出，最大功率已达到万瓦量级。其应用范围从光通信扩展到激光加工、激光打标、图像显示、生物工程和医疗卫生等领域。未来光纤激光器的发展：(1)提高光纤激光器展趋势将体现在以下几个方面的本身性能：如何提高输出功率和转换效率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，提高系统稳定性并使其更加小巧紧凑，上述目标将是未来光纤激光器领域研究的重点。(2)新型光纤激光器的研制：具有更小占空比的超短脉冲锁模光纤激光器一直是激光领域的研究热点。高功率飞秒量级脉
47、，该领域一直是人们长期追求的目标，研究的突破不仅可以给光通信时分复用OTDM提供理想的光源,而且可以有效带动激光加工、激光打标及激光加密等相关产业的发展；在频域方面,宽带输出并可调谐的光纤激光器将成为研究热点。近年，一种采用材料(ZEBLANZrBaLaAl)为激光介质的非线性光纤激光器引起了人们的重视。光纤激光器将在未来光通信、军事、工业加工、医疗、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域中发挥重要作用。光纤激光器技术是一个正在得到高度重视和迅速发展的新型技术研究热点，所涉及的科学研究和产品应用领域十分广泛,具有巨大的潜在应用价值和广阔的市场前景。参考文献1乔学光光纤激光器的研究进展与展望J,激光与光电子学进展,2002,39(8):55-562葛强,光纤激光器的应用J，光机电信息，2006，10（2）：39413朱万彬等，光纤激光器的发展J，光机电信息，2
