浅谈21世纪激光技术的发展与应用Discussion of laser development and applicationof 21 century专业：光电信息工程姓名：陈斐然学号：080212139指导老师：张磊21世纪激光技术的发展与应用摘要：20世纪以来，激光是继原子能、计算机、半导体之后的又一重大科技发明。

在有充分的理论准备和生产实践需要的背景下，激光技术应运而生。

它一问世就获得了异乎寻常的快速发展。

激光在现代通信领域有着广泛的应用。

它在扩大通信容量，缓和通信频段拥挤，提高通信安全等方面都发挥着极为重要的作用。

关键词：激光技术现代通讯激光通信光子晶体能量衰减Discussion of laser development and applicationof 21 centuryAbstract ：Since the 20th century, laser is another major technological invention after the atomic energy, computer, semiconductor .Under the background of a full theories preparation and production practice needs,the laser technology arises at the historic moment. It comes out to obtain the unusually rapid development. Laser in modern communication field have a wide range of applications. In expanding communication capacity, easing communication frequency crowded and improving the communication security aspects, it plays an extremely important role.Key words:laser technology; modern communication; laser communications; photonic crystal; energy attenuation一、激光的发展历程1960年5月16日，世界上第一个激光器——红宝石激光器发出了一束神奇的光，它的名字叫“激光”。

最初中文的名称叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译。

LASER是英文“受激辐射的光放大”的缩写。

什么叫做“受激辐射”？他基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。

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。

普朗克的能量子假说和爱因斯坦的光量子理论为量子电子学的发展奠定了基础。

特别是爱因斯坦1916年对辐射理论的分析，为激光提供了理论基础。

而美国马萨诸塞州坎布里奇的麻省理工学院的汤斯（CharlesH．Townes，1915—）也为此做出了不可磨灭的贡献。

他研究的是微波和分子之间的相互作用。

他计算出把分子束系统的高能态与低能态分开，并使之馈入腔中的条件。

他还考虑到腔中应充有电磁辐射以便激发分子进一步辐射，从而提供了反馈，保持持续振荡。

这时拍赛尔和庞德在哈佛大学已经实现了粒子数反转，不过信号太弱，人们无法加以利用。

当时人们已经认识到，粒子数反转是放大的必要条件。

汤斯认为是粒子没有办法放大。

他一直在苦思这个问题。

他设想如果将介质置于诸振腔内，利用振荡和反馈，也许可以放大。

汤斯很熟悉无线电工程，所以别人没有想到的，他先想到了。

汤斯开始按他的新方案进行工作。

这个组的成员有博士后齐格尔（H．J．Zeiger）和博士生戈登（J．P．Gordon）。

后来齐格尔离开哥伦比亚，由中国学生王天眷接替。

汤斯选择氨分子作为激活介质。

这是因为他从理论上预见到，氨分子的锥形结构中有一对能级可以实现受激辐射，跃迁频率为23870 MHz。

氨分子还有一个特性，就是在电场作用下，可以感应产生电偶极矩。

氨的分子光谱早在1934年即有人用微波方法作出了透彻研究。

1946年又有人对其精细结构作了观察，这都为汤斯的工作奠定了基础。

汤斯小组历经两年的试验，终于在1953年制成了第一台微波激射器，取名为“微波激射放大器”（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation），简称MASER（微波激射器）。

与此同时，还有几个科学集体在尝试实现微波的放大。

其中在苏联有莫斯科的列别捷夫物理研究所普洛霍洛夫和巴索夫的小组，他们一直在研究分子转动和振动光谱，探索利用微波波谱方法建立频率和时间的标准。

他们认定，只要人为地改变能级的集居数就可以大大增加波谱仪的灵敏度，并且预言，利用受激辐射有可能实现这一目标。

他们也用非均匀电场使不同能态的分子分离，不过他们的装置比汤斯小组的晚了几个月才运转。

但是这并不是真正的激光器！普罗霍罗夫所依据的原理是物质中电子的受激发射效应。

实际上就是爱因斯坦早在1916年就提出的受激辐射概念。

一个能放大的系统，如果适当加大正反馈，就能形成振荡。

这就是量子放大与量子振荡的基本原理。

氨分子激射器作为第一个量子电子学器件，有其重要的历史意义。

它制成后不久，就被做成氨分子钟，作为时间和频率的基准。

但由分子束或气体制成的微波激射器波段有限，浓度低，功率小。

还有待于继续发展。

后来普罗霍罗夫把氨分子激射器的工作波长减小到亚毫米量级，把频率提高了一两个量级。

从1955年起，普罗霍罗夫又把注意力转向顺磁共振微波激射器，他在几年内研究了一系列顺磁晶体的顺磁共振与弛豫特性，并于1958年获得了微波激射。

1958年普罗霍罗夫和汤斯分别发表文章，指出光学中使用的法布里一伯罗标准具可用作从亚毫米波直到可见光波段的谐振腔。

在他们的理论指导下，两年后就发明了激光器。

但在当时激光器的功率还很低，另一位科学家——巴索夫对此做出了重要的科学贡献——对半导体激光器的研究。

早在第一台激光器问世以前，巴索夫在1959年就提出了半导体激光器的方案。

在半导体上加上足够强的脉冲电场，在强电场作用下，大量原子通过碰撞而被电离，导带中的电子数及价带中的空穴数均急剧增多。

当电场撤去后，在一定条件下，可以产生粒子数反转状态。

1961年，巴索夫又提出p－n结注入式激光器的原理，发表于苏联《实验与理论物理》杂志上。

他还导出了产生受激发射的条件。

据此，好几个研究组在1962年先后制成了半导体激光器。

巴索夫用砷化锌（GaAS）在77 K 下获得近红外光的受激辐射。

这种类型的激光器后来得到不断的完善，改进了结构，降低了阈值电流，提高了效率，压缩了激光线宽，特别是使其能在室温下工作。

到了70年代后期，已逐渐形成了在应用上大发展的局面。

成为当前应用最广的一种半导体激光器。

至此，真正的激光器便诞生了！可见它的诞生真是历尽了千辛万苦！但是它却发挥着难以想象的巨大的作用！二、激光的特点与分类激光有亮度高，方向性好，单色性好，相干性好等特点。

它的能量高度集中，比太阳表面的亮度高几百亿倍，可产生几万度的高温。

可以来诱发化学反应，甚至可以引发热核聚变！不仅如此，激光发射后发射角非常小，射出20公里，光斑直径只有20——30厘米，因此做成的测距仪精度非常高！它的波长基本一致，谱现宽度非常窄，颜色很纯，由于这个特性，激光在通信技术中应用很广——现在有激光雷达，激光卫星等多种通讯设备！激光器的结构激光器是产生激光的装置。

它主要由工作物质、激励源和谐振腔三部分组成。

按运转（工作）方式分，有连续波、单脉冲、重复脉冲和波长可调激光器等；按激励方式分，有光激励、电激励、热激励、化学激励和核激励激光器等；按工作物质的不同，分为固体、气体、半导体、染料、化学和自由电子激光器等。

固体激光器。

用固体材料作为激光器的工作物质。

这类激光器的特点是小而坚固，功率较高。

气体激光器。

用气体作为激光器的工作物质。

其特点是能以脉冲和连续两种方式工作。

半导体激光器。

用半导体作为激光器的工作物质。

其最大的特点是体积小、种类多、效率高、使用方便。

染料激光器。

工作物质是有机染料。

其特点是工作波长连续可调(波长分布在0.32～1.3微米)，主要用于科研领域。

化学激光器。

通过化学反应提供能量，形成受激辐射的激光器。

其特点是：频率高，光子能量大，穿透力强，破坏效能高。

自由电子激光器。

工作物质是电子束。

其特点是输出功率高，因此而成为战略激光武器的首选器件。

三、激光的应用1.激光在科技上的应用事实上，1916 年激光的原理被著名的物理学家爱因斯坦发现之后一直没有研制成功，原因在于科学实验所需要的器材没有现在发达，一直到1958 年激光才被首次成功制造。

激光是计入20世纪，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，它的亮度非常之高，大约为太阳光的100亿倍。

因此激光一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，也正是因为这个原因，历史悠久的光学科学和光学技术体会了新生的快乐，更重要的是导致整个一门新兴产业——激光产业——的诞生。

第一，激光通信经历了大气通信和光波导（光纤）通信两个重要的发展阶段。

CO2气体激光器是比较符合要求的早期通信用光源，其输出激光波长为10.6μm，在大气通行当中，信道传输的低损耗窗口要求的标准波长是10.6μm。

早期的激光大气通信所用光源还包括YAG固体激光器、He-Ne气体激光器等等。

其中的早期激光大气通信曾经掀起了全球性的研究浪潮，大量的人力、财力和物力在这个阶段投入了进去，对激光大气通信进行了广泛的研究开发。

但是这项研究只有少数的经济和技术力量雄厚的发达国家才能够承担得起。

光纤波导通信技术大约与激光大气通信技术的研究工作同步展开，从而在技术上形成了激光无线通信和激光有线通信两种通信方式，这两种通信技术与传统通信技术大不相同。

垂直腔面发射激光器（VCSEL）列阵光接受发射模块的处理能力不仅速度高而且容量特别大。

微电子电路的多功能的逻辑控制、具有高强度并行操作功能的电子集成器件的优越性、光本身的高速传输能力、超高规模集成技术的优越性在垂直腔面发射激光器（VCSEL）列阵光接受发射模块当中得到了完美的体现。

现代通信技术研究中，在激光通信领域，最引人瞩目的就要属垂直腔面发射激光器(VCSEL)了。