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量子-光纤激光器

主办单位: 中国科学院老科协
承办单位:中国科学院老科协空天信息创新研究院电子分会
举办时间:2019-10-30       【字号: 访问量:

目录

简介
主持人致辞
主旨报告
讨论与交流
主要专家简介:
  1. 宋家骏(主持人)  中科院空天信息院研究员,中科院老科协空天信息院电子分会理事长,合成孔径雷达技术专家,曾任我国某卫星副总设计师
  2. 林世昌 (主持人) 中科院空天信息院研究员,中科院老科协空天信息院电子分会执行理事长,曾任中国电工学会理事、电子束离子束分会主任委员,中国电子学会资深委委员专业委员会副主任。
  3. 单焕炎 (主旨报告人), 中科院空天信息院研究员,中科院老科协空天信息院电子分会副理事长、咨询组组长,激光技术专家
  4. (以下按姓氏笔画排列)
  5. 王玉富 半导体所研究员,半导体所分会理事长,
  6. 王庚辰 大气所研究员,中科院老专家咨询团副团长 大气所分会副理事长
  7. 王柏懿 力学所研究员,中科院老专家咨询团副团长,力学所分会理事长,原副所长,
  8. 李乃煌 遥地所研究员,中科院老科协 副理事长,遥地所分会理事长,原副所长
  9. 李  爽 遥地所研究员,中科院老专家咨询团副团长 遥地所分会副理事长
  10. 李前康 空天信息院老科协 分会副理事长 高工
  11. 李悌兴 空天信息院老科协 分会顾问 高工
  12. 朱敏慧 空天信息院老科协 原电子所所长、学术委员会主任 研究员
  13. 孙克忠 地质地球所研究员,地质地球所分会副秘书长
  14. 冯 庆  空天信息院 人事处副处长
  15. 何远光 中科院老科协 执行理事长兼秘书长,中科院原局长
  16. 杨汝良 空天信息院老科协 研究员,原副所长
  17. 洪延超 中科院老科协 副理事长,中科院老专家咨询团团长 大气所分会理事长,研究员
  18. 陈筱英 空天信息院老科协 分会副理事长 副研究员
  19. 张志林 中科院老科协 顾问 “科普论坛”创建、主持人,中科院原局长
  20. 张 平  空天信息院老科协 研究员 院老科协科普丛书编委
  21. 桂文庄 中科院老科协副理事长,中科院原高技术局局长,研究员
  22. 麻莉雯 中科院老科协 办公室主任 “科学智慧火花”专家组秘书
  23. 屠乃琪 国家天文台研究员,天文台分会祕书长
  24. 蔡  榕 空天信息院 党委书记
  25. 蔡安生 空天信息院老科协 研究员
  26. 钮得祿 空天信息院老科协 研究员
  27. 谭荣清 空天信息院 五部副主任 研究员
展开

【简介】


量子激光器是激光激活区的三维尺度接近或小于10nm的半导体激光器,当一维尺度在10nm左右时称为量子阱激光器,当两维尺度在10nm左右时称为量子线激光器,当三位尺度在10nm左右时称为量子点激光器。此外,还有应变量子激光器、量子级联激光器等。

光纤激光器其实是固体激光器的延伸和发展,具有很多优势。光纤成本低、挠度好,带来小型化、集约化优势;只需简单的风冷,散热快、损耗低,转换效率较高,激光阈值低; 输出激光波长多,具有可调谐性;具有免调节、免维护、高稳定性的优点,可以容忍恶劣的工作环境;综合电光效率高,可以输出较高功率。

量子光纤激光器是一种把量子激光器和光纤激光器集成在一起的高功率、多用途的激光器。由于量子激光器的体积小,轻便,结构简单,转换效率高,安全可靠,寿命长,易集成,维护简便,即启即用,可与光纤激光器集成为高功率、高能量的多用途激光系统,能够广泛用于通信、工业加工、探测、雷达、跟踪、医疗等领域。量子光纤激光器的应用广泛,预计可替代现有的绝大多数气体和固体激光器,是防御性星载激光武器最理想的候选武器。

本次沙龙就是介绍和讨论量子光纤激光器基本问题、关键技术和应用前景。

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【主持人致辞】

 

宋家骏:各位领导、各位专家,今天我们举行空天信息院电子分会承办的第八次科技前沿沙龙,这次沙龙是由单焕炎研究员做主旨报告,讲解量子光纤激光器。下面请林世昌理事长致辞。

林世昌:今天很高兴这么多领导、这么多专家莅临我们的沙龙活动,欢迎大家的光临!今天我们讲的是激光方面的专题,激光在电子所历史很悠久了,实际上成立电子所以来就有激光学科,到现在已经超过了六十多年,但是仍在不断发展。我们电子分会在专家建议座谈会上提出量子光纤激光,这个题目挺新颖挺前沿,今天办这个沙龙请大家一起来讨论。

单焕炎研究员从事激光研究已经有很长时间了,取得了很好的成绩,对开展量子激光的研究颇有想法,目前我们电子所尚未开展这方面的工作,希望通过今天的沙龙对此项研究工作起到一定的推动作用。

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【主旨报告】

 

单焕炎  量子-光纤激光器

今天我来介绍一下量子-光纤激光器,分四个问题讲:一、什么是量子-光纤激光器;二、量子激光器发展的状况和应用;三、光纤激光器发展的状况和应用;四、我国量子-光纤激光器发展概况。

一.  什么是量子-光纤激光器

量子-光纤激光器是一种把量子激光器和光纤激光器集成在一起的高功率、高能量、多用途的激光器,它的用途大有要取代传统的气体和固体激光器的趋势。

那么什么又是量子激光器和光纤激光器呢?

量子激光器是激光有源区压缩到10 nm左右的激光器称为量子激光器。是在半导体激光器的基础上发展起来的。

当激光有源区的尺度不断压缩,压到10 nm左右时,由量变发生了质的变化,量子效应起了关键性的作用,使激光器的参数指标不但没有下降,反而得到大幅提升,用途也大为扩展。

以砷化镓(GaAs)为例,没有掺杂的砷化镓本征半导体的晶体结构是由砷原子和镓原子分别构成的两个面心立方沿一条对角线位移其四分之一长度套构而成的。如图1所示。

图1. 砷化镓晶体的面心立方结构

如果有一小部分面心立方中的一个五价的砷原子被一个六价的碲原子替代,它就由本征半导体变成n型半导体,如果有一小部分面心立方中的一个三价的镓原子被一个两价的锌原子替代,它就由本征半导体变成P型半导体。

将P型半导体和n型半导体对接在一起,在对接的一小部分区域,由于扩散和漂移形成具有内建电场E的P-N结。

图2. P-N结的形成

这个P-N结有许多我们可利用的特性,例如:在电路中常用到的单向导电的整流二极管、照明用到的发光二极管和激光二极管等。

图3. 半导体P-N结的一些用途

图4. 孤立原子的能级和晶体的能带

孤立原子的能级是一个一个分立的,当大量原子形成晶体结构时,孤立原子每个分立的能级受其它原子的作用分裂成大量相隔很近的能级,形成能带,能带和能带之间有一段间隙,称为禁带或带隙。

半导体激光器有源区的尺度约为:0.1—0.3μm,在这个尺度下,能带中的能级之间的间隔很小,由于热运动,电子很容易从一个能级迁移到另一个能级。这就使半导体激光器常出现以下问题:

1.  由于半导体的能带结构,使得可产生的激光谱线众多,功率小。

2.  阈值电流大,效率不够高。

3.  出现频率啁啾,用途受限。

4.  光谱线宽宽,调制带宽受限。

5.  谱线波长受温度影响严重。

我们将激光有源区的三维尺度逐一大幅减小,把一维X方向的边长压缩到10纳米,我们就把它叫做量子阱激光器,把两维X、Y方向都压缩到10纳米,就叫做量子线激光器。三维空间都压缩到10纳米左右,我们就把它称为量子点激光器。

  

图5. 量子激光器有源区的尺度

(一) . 量子激光器

我们将半导体激光器有源区尺度逐一大幅减小的激光器称为量子激光器,是因为量变发生了质变,量子效应起了关键作用,使得激光器的参数指标不但没有下降,反而有了大幅提升,用途也大大扩展。

为了说明量子效应的作用,我们把一个电子限制在一个边长分别LX、LY、LZ的长方形盒子中,如图6所示。通过求解薛定谔方程我们很容易得到,一个电子在长方形盒子中的波函数、动量本征值和能量的本征值的表达式分别为:

图6.  一个电子被限制在一个长方形的盒子中

电子的波函数为:

  (1)

动量的本证值为:

 (2)

能量的本证值为:

   (3)

式中nx、ny、nz = 0、±1、±2、±3、……、±m、……

我们来看能量En的本征值,括号前是一个常数,括号中有六个变量,其中nx、ny、nz是三个分别取正、负整数的量子数,Lx、Ly、Lz分别是长方形盒子的边长,而且Lx、Ly、Lz分别以平方的形式出现在分母上。设想一下:如果将三个边长逐一分别压缩到原来的1/10、1/20、1/30,则能级之间的间隔就会分别扩大100倍、400倍、900倍。能级之间间隔百倍的扩大将使状态密度发生如图7所示的变化,所谓状态密度是指单位能量间隔内的状态数,即:D(E) = dN/dE。

图7.  长方形盒子边长分别压缩后电子状态密度的变化

由图7可见,量子点的状态密度由能带又回到了原子、分子的分立能级状态。

由图4,当半导体的激活区在0.1—0.3μm时,每个能带中的能级之间的间隔是很小的,也就是说能级密度很高,电子由于热运动,很容易从一个能级跳跃到另一个能级,这就使半导体激光器常出现前面所提到的五个问题。

现在将长方形盒子的边长逐一大幅压缩,能级之间的间隔大幅增加,电子就不能轻易从一个能级跳跃到另一个能级,使激光谱线更专一,减少了电子在不需要的能级上的分布,由于量子效应起了作用,激活区的逐一压缩,激光器的参数指标不但没有减弱,反而得到大幅提升,故而将这些激光器分别称为量子阱激光器、量子线激光器和量子点激光器。要注意的是公式中的电子质量要用电子在晶体中的有效质量。

能带的变化导致的结果是:

1.  随着维数减少,能级的密度减小。

1)提高了注入载流子的利用率;

2)提高了微分增益dg/dN;

3)降低了阈值电流;

4)减少了载流子的内部损耗,提高了效率;

5)提高了激光器的调制带宽:

6)减少了频率啁啾

2.  由于Eg-q > Eg-b ,量子阱激光的波长小于普通LD。

3.  阶带中重空穴和轻空穴能带的分离,导致阶带和导带能态密度的不对称,提高了阈值电流,降低了微分增益。这可通过引入应变和补赏应变得到克服。

1. 一维量子阱超晶格结构

一维量子阱超晶格是指由交替生长两种带隙宽度不同的半导体材料薄层组成的一维周期性结构。 制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术这种思想是1968年Bell实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥首先提出的,并于1970年首次在GaAs半导体上制成了超晶格结构。江崎等人把超晶格分为两类:成分超晶格和掺杂超晶格。理想超晶格的空间结构及两种材料的能带分布分别如图8和图9所示:

图8、图9:一维量子阱超晶格结构和能带图

如果产生激光的电子跃迁发生在交替薄层的窄带隙之间,我们称其为量子阱激光器,如图10所示,如果产生激光的电子跃迁发生在导带的带隙之间,我们称其为量子级联激光器,如图11所示。

  

图10. 量子阱激光器的电子跃迁             图11. 量子级联激光器的电子跃迁

由于交替薄层窄带隙的宽度比导带带隙的宽度宽,量子阱激光器的波长比量子级联激光器的波长短,一般在中红外到可见光波段,量子级联激光器的波长在2μm—1000μm,即中红外到太赫兹波段,而且可通过改变交替薄层的厚度来调节。

  

图12. 普通半导体激光器和量子级联激光器产生光子过程比较

量子级联激光器的工作原理与通常的半导体激光器截然不同,它打破了传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制,量子级联激光器受激辐射过程只有导带中的电子参与,从而实现单电子注入的多光子输出,且可以轻松地通过改变量子阱层的厚度来改变激光波长。

量子级联激光器比其它激光器优势在于它的级联过程,电子从高能级跳跃到低能级过程中,不但没有损失,还可以注入下一个过程再次发光。

图13. 多量子阱与超晶格量子级联的差别

多量子阱和超晶格量子级联的本质差别在于势垒的宽度:当势垒很宽时电子不能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱,即量子阱之间没有相互耦合,此为多量子阱的情况;当势垒足够薄使得电子能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱,即量子阱相互耦合,此为超晶格量子级联的情况。

图15. 量子级联激光器

2. 几种激光器的增益系数和效率比较

我们知道半导体激光器的增益系数约为:

而普通连续波二氧化碳激光器的增益系数约为:

红宝石、钕玻璃、YAG激光器的增益系数约为:

半导体激光器的效率可达: 40—50 % 。而气体、固体激光器的效率达到: 20—30 % 就相当不错了。

量子激光器的增益和效率分别为:

1). 量子阱激光器的增益和效率

增益:30 - 50/cm

效率:50 - 60%

2). 量子线激光器的增益和效率

增益:300 - 500/cm

效率:70 - 80%

3).量子点激光器的增益和效率

增益:3000 - 4000/cm

效率:80 - 95% ,单管输出功率达瓦级。

从上述数据可以看出,当量子激光器的维数逐一压缩时,增益呈一个数量级、一个数量级地向上增长,效益按10%—20%向上增长。

3. 垂直腔面发射激光器(VCSEL)

通常的激光器反射镜都安装在纵向的两端,对于量子激光器由于尺度的大幅压缩,可将反射镜安装在侧面,做成垂直腔面发射激光器(VCSEL)。这个结构改进,可使激光输出功率大幅提高。

  

图16. 垂直腔面发射激光器                                    图17. 垂直腔面InxGa(1-x)N 多量子阱激光器

高功率的垂直腔面InxGa(1-x)N 多量子阱激光器,波长405.8nm(蓝光),是1997年研制出来的。1992年9月,双异质结构的氮化镓发光二极管试制成功。2014年10月7日凭借上世纪90年代初发明的高亮度蓝色发光二极管,日本的中村修二和赤崎勇、天野浩共同获得2014年诺贝尔物理学奖。此后,中村修二致力研制绿光的激光器,据说因导带中的大量电子没有与空穴复合把能量交给激光,而是把能量交给了其它电子,使其它电子跳跃到更高的能级的俄歇过程而消耗掉了,至今仍在努力克服这个问题。

4. 量子激光器的谐振腔

量子激光器的谐振腔主要有以下几种:

1).法布里—珀罗激光腔(FP-LD)

2).分布反馈激光腔(DFB-LD)

3).分布布拉格反射激光腔(DBR-LD)

4).垂直腔面发射激光腔(VCSEL)等

其中法布里—珀罗激光腔是激光器中常用到的,其它几个腔如图18、图19、图20所示 :

 

图18. 分布反馈激光腔                                   图19. 分布布拉格反射激光腔

图20. 垂直腔面发射激光腔

分布反馈激光腔是沿激光有源区的侧面刻上一排光栅形成的腔。垂直腔面发射激光腔具有以下优点:

1). 易于实现二维平面和光电集成。

2). 圆形光束易于实现与光纤的有效耦合。

3). 有源区尺寸极小,可实现高封装密度和低阈值电流。

4). 芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验。

5). 在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作。

6). 成品率高、价格低。

  

图21. 垂直腔面发射激光腔实例                              图22. 垂直腔面发射激光腔实例

5. 量子激光器的种类

根据有源区和机理的不同量子激光器有:

1)量子阱激光器 (有单量子阱和多量子阱激光器)

2)量子线激光器

3)量子点激光器

4)应变量子激光器

5)级联量子激光器

6)补赏应变量子激光器

等等。

6. 量子激光器的问题

量子激光器的问题主要有:

1)重、轻空穴的出现使阶带简并能级分裂、态密度不对称。

2)晶格常数失配。

这两个问题都会导致阈值电流上升,增益下降,谱线展宽。 通过引入应变,这两个问题都得到了很好的解决,因而出现了应变量子激光器和补偿应变量子激光器。

  

图23. 重、轻空穴引起阶带空穴能级扭曲和分裂                                           图24. 晶格失配引入应变

7. 应变量子激光器和补偿应变量子激光器

通常构成量子阱的二种材料的晶格常数要经过特殊选择调整,以保证它们之间的晶格匹配,避免在其交界面区产生大量的失配位错,影响界面带结构和电子的输运,它大大限制了量子结构材料选择的自由度。

应变量子阱就是利用晶格不匹配的两种材料,用单原子层外延技术生长在一起。由于材料物理特性的优化,使得半导体发光器件的性能得到革命性的巨大改善。

图25. 应变量子阱材料的能带图

引入应变和补偿应变改善阶带能级结构。应变的引入减小了空穴的有限质量差,进一步减小了价带间的跃迁,从而使量子阱激光器的阈值电流大为降低,量子效率和振荡频率大大提高,并且由于价带间跃迁的减小和俄歇复合的降低而进一步改善了温度特性,实现了激光器无致冷工作。

(二). 光纤激光器

光纤激光器是在固体激光器的基础上发展起来的,也可称它为柔细的固体激光器。

固体激光器是在晶体中掺杂了激光介质,使这些激光介质成为整个晶体的组成部分,用闪光灯光泵来产生激光。而光纤激光器是将镧系元素的镝、钬、铒、铥、镱、镥等以混合物形式掺入柔细的玻璃光纤芯中作为激光介质,用量子激光器光纤输出的光来泵浦产生激光。

通常光纤是用来传递光能和光信息的,因此这种光纤由三层结构组成:

1.光纤芯、2.内包层、3.保护层

而光纤激光器的光纤通常由四层结构组成:

1.光纤芯、2.内包层、3.外包层、4.保护层

内芯掺杂的是激光介质,它也构成了光纤激光器的谐振腔。内包层是用来作为泵浦光的传输通道。

图26. 传输用的光纤横截面结构     图27. 光纤激光器用的光纤横截面结构

图28. 双包层掺杂光纤的原理结构

1. 光纤激光器的横截面结构

图29. 光纤横截面不同的结构

实验证明并不是同心圆横截面的结构最好,而是长方形的横截面的结构最好。图30给出这个结果。

图30. 偏心形、D形、圆形、矩形光纤的吸收效率

  

图31.双包层泵浦掺杂光纤激光器                            图32. 光纤激光器整体原理图

光纤激光器的泵浦光源是量子激光器,量子激光器的输出光束可直接耦合进入光纤,或量子激光器的输出光纤与光纤激光器的内包层对接。无论是传输信号用的光纤还是光纤激光器用的光纤,从光纤芯到内包层再到外包层介质的折射率是逐一递减的,因为全反射,光纤芯中的光不能进入内包层,而光纤内包层的光可进入光纤芯,但它不能进入外包层。量子激光器输出的光经光纤对接进入光纤激光器的内包层后,经多次反射,进入光纤芯被掺入光纤芯内的激光介质吸收,形成粒子数反转,产生新的激光。

2. 量子激光器与光纤激光器的泵浦对接

量子激光器输出光纤与光纤激光器内包层的对接有端接、侧接多种方案,

如图33—37所示:

  

图33. 光纤端接方案                       图34. 光纤侧接方案

  

图35. 光纤侧接方案                  图36. 光纤侧接方案

图37. 又一个光纤侧接方案

两光纤对接主要采用侧接方案,因为侧接可以接许多根光纤。

3. 光纤激光器的种类

按腔结构:线性腔和环形腔

按运行方式:连续和脉冲

按掺稀土离子:

铒(Er3+)、钕(Nd3+)、铥(Tm3+)、 钬(Ho3+)、镱(Yb3+

镝(Dy3+)、镨(Pr3+)、钐(Sm3+)、镥(Lu)等

4. 光纤激光功率合束器

光纤激光功率合束器是将多根输出功率较小的光纤聚合到一根输出功率更大的光纤中的连接体。如图38、39、40 所示:

  

图38.光纤功率合束器                                           图39. 光纤功率合束器

图40. 一种光纤功率合束器   ( 耦合效率 > 98 % )

二.  量子激光器发展的状况和应用

我们阶段性地概括量子激光器发展的状况和应用。以1970年为界,自超晶格的概念提出并在实验上获得成功,人们的视线开始关注量子激光器。

1.  1962年美国GaAs同质半导体激光出光,液氮下脉冲方式。

2.  1967年液相外延单异质半导体激光出光,室温脉冲。

3.  1970年贝尔实验室双异质结出光,室温连续工作。

4.  1968年贝尔的江崎和朱肇祥提出超晶格结构,1970年实现。

5.  1977年提出,1979年实现了垂直腔面发射激光器。

6.  1978年开始研究量子阱激光器(已从可见光到中红外)。

7.  1986年第一台量子线(用于CD机电流的十万分之一)。

8.  1986年Asada的10nm量子点InGaAs,增益达104 / cm。

9.  1991年InGaP/InGaAlP红光634nm ,600mw应变量子阱出光 。

10.  1994年可调谐的量子级联激光器出光(15—1000μm)。

11.  1994年首次报道用MOCVD法自组织1.3μm波长的InGaAs/GaAs量子点激光器 。

12.  1997年GaN、AlN、InN、InGaN,405.8nm蓝绿多量子阱出光。

我们再来看量子点激光器的发展状况。

1.   1986年Asada的InGaAs量子点材料,增益达到 104 / cm。

2.   1994年Ledentsov的InGaAs量子点的光泵浦激射现象。

3.   1999年,100μm条宽,在室温下连续输出功率可达 3.5W-4W,效率达到95%。

4.   2000年氧化物限制量子点,波长1.3μm,阈值19A/cm2。

5.   2000年在InGaAs量子点77K低温下观察到16μm的激射。

6.   2004年东京大学在1.3μm,20℃-70℃间不用调整电流 就能稳定的发送出10Gb/s的光信息。

7.   2005年中国科学院半导体研究所成功制备了激射波长 1.33μm,可在室温连续工作的GaAs基InAs自组织量子 点边发射激光器 。

8.   2012年台湾国立交通大学利用InAs/InGaAs/GaAs量子点 获得可调谐范围达  130nm  ( 1160-l29Onm)  和 150nm  ( 1143-1293nm )  的可调谐量子点激光。

9.   2015年日本东北大学器件的中心波长为1230nm,围绕该中心具有44nm调谐宽带。用于波分复用(WDM), 因为在1530–1565nm的传统波段(C波段)的频率通道已人满为患,然而,更多的未被利用的频率资源则埋藏在如1000-1260nm的(T波段)和1260-1350nm的 原始波段(O波段)。

10.    2015年欧盟节能硅发射器使用III-V族半导体量子点, 要开发一个总容量 400Gbps 发射机。

我们为什么这么关注量子激光器呢?主要是它具有许多其它激光器无法具备的优点。

1. 量子激光器的优点:

1).  体积小、重量轻 、无需制冷(芝麻粒大小的单管激光器可输出近瓦级功率)

2).  有利于形成粒子数反转,转换效率高(70—90%)

3).  结构简单(P-N结或单结结构)

4).  安全可靠 (电压只有几伏或几十伏,电流几百毫安)

5).  即用即启,只需供电和指令(无需预热等准备工作)

6).  维护简便,没有易耗品

7).  寿命长(10万小时)(晶体、封接牢靠)

8).  易集成,易与芯片和光纤激光器对接

激光器要具备全部这些优点是很难得的,因此,它可以独立使用或用作光纤激光器的泵浦源做成高功率、高能量、高重复率、多用途的量子-光纤激光器,它是星载激光武器的最佳选择。

2.  量子激光器的主要用途:

1).   808nm、850nm、915nm、940nm、 980nm等大功率量子激光器广泛用于大功率光纤激光泵浦源、激光手术刀、 材料加工和防伪检测等领域。

2).  1.1 —1.55μm和可见光的单模量子点激光器在大容量光纤通信,高速光计算、光互联和信息处理等许多方面都有极其重要的应用前景。

3).  2—12μm 用于检测毒品、爆炸物、药品、有机分子等。

4).  12—1000μm 主要用于空间或钻地探测、雷达、跟踪、制导、同位素分离等。

美国西北大学的一个研究团队通过将非对称取样光栅分布式反馈激光器与光放大器结合,研发出了发射波长为2—11微米的单模可调谐量子级联激光器(QCL),用于检测各种化学品。 Al0.63In0.37As/Ga0.37In0.63As/Ga0.47In0.53As .实现了同一个设计模块能改变波长的目的,单模光谱调谐范围达300纳米。

图41. 美国西北大学的可调谐量子级联激光器

表1. 美国西北大学量子级联激光器2014年的参数指标

量子阱激光器的波长主要由本征半导体的导带和阶带之间的禁带(又称带隙)宽度来决定的,例如GaAs的禁带宽度为1.42eV,以GaAs为衬底的激光器的波长在635nm—950nm之间,由添加不同的杂质和浓度决定;InP的禁带宽度为1.28eV,以InP为衬底的激光器的波长在950nm—1550nm之间,也由添加不同的杂质和浓度决定。我们来看几个不同量子激光器的波长、功率和用途:

表2. 几种不同的量子激光器的波长、功率和用途

三. 光纤激光器的发展状况和应用

1.   1964 世界上第一个玻璃激光为钕玻璃光纤激光。

2.   1993 长方形内包层光纤激光器。效率50%,功率5W。

3.   1999 用4只45W半导体激光泵浦掺镱双包层光纤,实现。  110W、波长1120nm的激光输出。

4.   2003年2月Southampton Photonics, Inc.(SPI) 宣布掺Yb光纤实现了270 W(1080nm)单模激光输出。

5.   2005年1月, IPG  photonics, 2kW  (amplifier)。

6.   2008年1月, IPG  photonics, 20 kW  (amplifier)。

7.   2018年深圳创鑫公司MOPA光纤激光器达20KW,平均功率100瓦。

光纤激光器的应用领域包括:

1. 通讯领域

掺铒的1.3μm、1.55μm正是窗口,光孤子通信,空间通信

2. 工业加工领域

掺镱的1060—1200nm,切割、焊接、表面处理及微加工

3. 军事领域

雷达、跟踪、制导、舰载、机载、车载、星载激光武器

4.  医疗领域

外科手术,微创内科治疗,掺铥的1940nm眼科治疗等

钬激光的泌尿科碎石,肿瘤、前列腺手术。

表3. 几种光纤激光器的波长、功率和用途

  

图42. 脉冲调Q光纤激光器                                        图43. 光纤放大器

脉冲调Q光纤激光器和光纤放大器可用于光纤通信等领域。

下面简单介绍一下光子晶体光纤激光器(PCFL)。光子晶体光纤激光器具有可以灵活设计的模场特性,能改变传导模式和有源介质之间的相互作用,可以制造适用于不同要求的激光器。

1. 光子晶体(Photonic crystal)

光子晶体是指具有光子带隙(Photonic Band-Gap,简称为PBG)特性的人造周期性电介质微结构。有时也称为PBG光子晶体结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播,即这种结构本身存在“禁带”。

能带与能带之间出现带隙,即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子,不能进入该晶体。通过引入缺陷破坏光子晶体的周期结构特性,那么在光子带隙中将形成相应的缺陷能级。 如果沿着一定的路线引入缺陷,那么就可以形成一条光的通路,只有沿着“光子导线”(即缺陷条纹)传播的光子得以顺利传播,其它任何试图脱离导线的光子都将被完全禁止。

利用光子晶体带隙我们可以控制光。图44给出了三个光子晶体的样本:

图44. 三个光子晶体的样本

光子晶体分为两类:

1. 折射率导光型(IG-PCF),1996年做出。

2. 带隙引导型(PCF),1998年做出。

图45展示了一种光子晶体光纤的横截面蜘蛛网式的结构,外圆是硅玻璃,黑色六边形是空气管道,中心对边距为 8.1 μm,两小网心矩为3.2 μm。通常利用堆管技术制作预制棒,然后在恒温、恒压条件下拉制而成。

图45. 一种光子晶体光纤的横截面结构

   

图46. 光子晶体的带隙(黄色带区)                                图47. 光子带隙与穿透率

   

图48. 光子晶体光纤中的模场分布

图46和图47展示了光子晶体带隙和穿透率,图48展示了光子晶体光纤中的模场分布。

2. 光子晶体光纤激光器的特点:

1)  光子晶体光纤具有可以灵活设计的模场特性 。

2)  能改变传导模式和有源介质之间的相互作用 。

3)  可以制造适用于不同要求的激光器 。

4)  小模式面积低阈值,大模式面积获高功率 。

5)  高折射率差、高数值孔径获高泵浦效率 。

3. 光子晶体光纤激光器的发展状况:

1)  2001 年,英国南安普顿大学首台掺镱单模、大模场光子晶体光纤激光器,为高功率、高光束质量指明方向。

2)   2003 年德国 Jena 大学PCFL功率达 1.2 KW 。

3)   2006年PCF纤芯直径为 60μm、长 0.58m,泵浦功率425W,实验获 320W 的连续单横模激光输出,效率78%。

4)   国内从2004—2009年深圳大学、南开大学、河北大学、西安光机所等也开展了中、小功率PCFL的研究。

4. 光子晶体的用途:

1)  光子晶体波导

2)  光子晶体光纤:类似于单模光纤

3)  光子晶体超棱镜(普通棱镜体积的1%,δ强100—1000倍)

4)  光子晶体超反射镜

5)  抑制自发辐射

6)  光子的局域化,光子-能量存贮器

7)  二维光子晶体微腔

8)  时间色散—慢光效应等

9)  空间色散—负折射、超棱镜、超透镜

在光子晶体的用途中,值得关注的是光子晶体超棱镜、全方位超反射镜和光子的局域化。光子晶体超棱镜的体积只有常规棱镜的1%左右,但其色散能力比常规棱镜强100—1000倍。对波长为1.0μm和0.9μm的两束光,常规棱镜无法将它们分开,但光子晶体超棱镜可将它们分开到60°左右。该特性在光通信和信息处理中具有重要的意义。其他应用还包括参量放大与波长转换、光开关、传感器、方向耦合器等。

图49. 光子晶体中缺陷

图49. 示出了光子晶体中的缺陷,光只能在有缺陷的区域无损耗传播。

5. 激光高能量高功率的原理

在量子理论中,电子是费米子,多粒子体系的电子波函数是反对称波函数,任意交换两个电子,波函数就改变一个符号,即由正号变为负号,或由负号变为正号,因此一个电子态只允许占据一个电子。而光子是玻色子,多粒子体系的光子波函数是对称波函数,任意交换两个光子,波函数保持不变,因此一个光子态可以占据无数个光子。何为一个光子态?在x、y、z、Px、Py、Pz六维相格空间中,处于h3小体积元内的光子是不可区分的,我们称它为一个光子态。

 (4)

h3~2.9 x 10-79 尔格3·秒3    (5)

同一光子态的光子数称为光子简并度,由于上述原理,简并度原则上没有限制,激光的简并度可以做得非常高,因此可以产生高能量、高功率的激光输出。激光武器正是基于这个原理。

美国海军LaWS舰载光纤激光武器                                美军研制的路基“雅典娜”光纤激光武器系统

图50. 美国的光纤激光武器系统

有报道称美国海军LaWS舰载光纤激光武器2011年7月19日成功击落四架无人机。洛克希德-马丁公司为美军研制的路基“雅典娜”光纤激光武器系统,2017年8月在新墨西哥州的白沙瓦导弹靶场一次击落五架“放逐者”无人机,所用的激光功率据说是30千瓦。

四. 我国量子-光纤激光器发展概况

我国的一些研究院、所和高等院校紧跟国际科技发展前沿,在国家中、长期科技发展规划、973计划、863计划和国家自然科学基金的指引和资助下,在量子激光器和光纤激光器的研究中都取得了可喜的成果,有的还超过了国际的先进水平。

1. 0.8—1.0μm波段高功率应变量子阱激光器

2000年就报道了:发射波长在0.8—1.0μm波段的激光器采用InAlGaAs材料作为量子阱发光区,量子阱垒层通常采用GaAs,AlGaAs或InGaAsP材料,波导层材料通常为AlGaAs,InGaP或GaAsP。 对InGaAs/GaAs,InGaAs/AlInGaAs,InGaAs/InGaAsP和AlGaAs/AlInGaAs应变量子阱生长条件进行优化。 可研制出高性能、高功率的808nm、850nm、915nm、940nm、980nm的应变量子阱激光器。现在连续波功率已达千瓦级,作为光纤激光器的泵浦源。

长春光机所的808nm百瓦级连续波无铝量子阱叠阵激光器达217瓦。

2. 我国半导体激光器发展历程

1)   1963年长光所和半导体所研制出GaAs半导体激光。

2)   1970年上光所和半导体所研制出单异质结半导体激光。

3)   1976年上光所研制出室温下双异质结连续半导体激光。

4)   1981年半导体所研制出室温连续波1.3μm半导体激光。

5)   1993年半导体所研制出GaInAs垂直腔面发射激光器。

6)   1999年120mW大功率半导体激光器寿命超过10万小时。

3. 我国量子阱激光器的发展概况

1)   中国科学院半导体所InAs/InP量子阱2.0—2.5μm可调, 室温 CW 25mW,脉冲  110mW。(2014年)

2)   中科院上海微系统与信息技术所2.7μm,  InP基不含碲的 InAs 多量子阱激光器。

3)   中科院半导体所研制出InGaSb/AlGaAsSb应变量子阱激光器。波长1.995μm,激射谱半高宽0.35nm。室温连续功率达到82.2mW,至80℃时CW功率达63.7mW。

4)   半导体所牛智川研制成功   2μm波段InGaSb/AlGaAsSb应变量子阱大功率激光器,单管器件室温连续输出功率达到1.62瓦、巴条组件的室温连续功率16瓦。

5)   上海微系统与信息技术所镓砷铋(GaAsBi)量子阱,1.142μm,脉冲功率达  127 mW。

锑化物量子阱激光器研究获得重要进展,近年来,中科院半导体所牛智川研究团队在国家973科研计划、国家自然科学基金的支持下,创新设计金属光栅侧向耦合分布反馈(LC-DFB)结构成功实现了2μm波段高性能单模激光器,边模抑制比达到53dB是目前同类器件的最高值,同时输出功率达到40mW是目前同类器件的3倍以上。 “该单模激光器开创性提升边模抑制比,为天基卫星载LIDAR系统和气体检测系统提供了有竞争力的光源器件”。

研究团队创新采用数字合金法生长波导层等关键技术,研制成功2μm波段的InGaSb/AlGaAsSb应变量子阱大功率激光器,其单管器件的室温连续输出功率达到1.62瓦、巴条(线阵)激光器组件的室温连续输出功率16瓦,综合性能达到国际一流水平并突破国外高功率半导体激光器出口限制规定的性能条款。

GaSb基InGaAsSb晶格匹配异质结量子阱的能带带隙可调范围覆盖了1.8μm~4.0μm的短波红外区域。上述锑化物半导体激光器研究成果突破了短波红外激光器技术领域长期卡脖子核心技术,将在危险气体检测、环境监测、医疗与激光加工等诸多高新技术产业发挥重要作用。

此外,半导体所还研制了应变补偿量子级联激光器:

1)  波长7.8μm,It = 80 mA,InGaAs / InAlAs 。

2)  波长5.49μm,以InP为基,84K时达660mW,室温46mW。

3)  波长9.1μm,以GaAs为基,81K时CW功率350 mW, GaAs / AlGaAs 。

4)  波长2μm,(InGaSb/ AlGaAsSb)T = 80℃,CW 63.7mW量子阱室温  82.2mW,带宽 35nm。

标志着我国红外量子级联激光器研究进入世界前列。

图51. 半导体所量子级联激光器的特性曲线

半导体所研制的激光器激光波长实现2.0-2.5μm范围可控调节。制备的2.0μm窄条激光器(6μm×1.5mm)实现室温连续激射,阈值电流45mA,单面出光功率大于25mW。制备的2.1μm宽条激光器(250μm×2mm)在脉冲注入下,出光功率超过110mW,阈值电流750mA,对应阈值电流密度低至150A/cm2,为目前已报道该体系半导体激光器的国际先进水平。

2019年最新进展:中红外2-3.5μm波段激光器在气体检测、环境监测、激光制导、红外对抗、激光雷达等诸多领域有着十分广泛而重要的应用,工作电流450mA时激射波长1.995μm,激射谱半高宽0.35nm。室温连续工作下出光功率达到82.2mW。进一步提高工作温度至80℃时激光器仍可以连续工作,出光功率达到63.7mW,是目前已有报道的最好结果。

中科院上海微系统与信息技术研究所研制的量子激光器有:

1)  2.7微米,InP基不含锑量子阱激光器在InP衬底上构筑不含锑的InAs多量子阱结构,

2)  1.142μm,GaAsBi  镓砷铋量子阱室温脉冲功率  127mW。(得到973和国家基金支持)

图52. 上海微系统与信息技术所GaAsBi激光器室温激射谱和结构示意图

4. 我国量子点激光器研究成果

(一)研制成功In(Ga)As/GaAs、InAlAs/AlGaAs/GaAs和 InAs/InAlAs/InP等一系列高质量的自组织量子点和量子线材料

(二)研制成功当时国际领先水平的大功率量子点激光材料和器件

(1) 优化设计使~980nm量子点激光器达国际水平;

(2) 创新性地设计了InAs/InGaAs/GaAs三层垂直耦合量子点复合结构,提高了量子点的发光效率;

(3) 首次采用退火来精确控制量子点激光器的输出波长,提高了成品率;

(4) 所研制的大功率量子点激光器室温连续波最大输出功率3.618W,10W的量子点激光器光纤耦合模块。

(三) 研制成功当时国际最好水平的InAlAs/AlGaAs红光量子点激光器

(1)优化结构和生长条件,研制出多层耦合结构;

(2)低温下还获得波长750nm和707nm的输出;

(四) InAs/InAlAs/InP斜对准量子线超晶格研究获得突破

(五)提出了耦合InAs量子点中载流子有效弛豫和激子热发射的新模型

(六)论文发表、被收录及引用

研究人员继续获得国家973、863、自然科学基金重大项目的支

持,正开展更深入、广泛的研究工作,为取得更加丰富的成果。

图53. 半导体所的可调谐外腔量子点激光谱线

2009年半导体所 InAs/GaAs自组织量子点增益器件  (1141.6 nm到  1251.7 nm),该激光器采用 InAs/GaAs自组织量子点增益器件(腔面未镀膜)、光栅反馈Littrow外腔构型。可用于波分复用光纤通信、高分辨率光谱分析、计量检测、生物医学、环境监测等领域。

5. 我国光纤激光器发展概况

1)   2002年南开大学掺镱双包层自调Q和混合调Q脉冲8KW,脉宽2ns。

2)   2003年南开大学用100KW调Q,得到范围  60nm 可调谐脉冲。

3)   2003年11月上海光机所掺镱双包层得到输出功率 107 瓦。

4)   2004年南开大学连续泵浦得到206KW调Q脉冲激光。

5)   2004年12月上海光机所掺镱双包层得到输出功率达 440 瓦。

6)   2005年西安光机所研制的光子晶体光纤激光器功率达98瓦。

7)   2007年赵卫等报道了被动锁模掺镱 8 字型腔光纤激光器。 整体水平与国外有一定差距,但落后时间不长。

8)   2008年西安光机所 CW 95.8 瓦,耦合效率  90.2 % ..

9)   2012年,国内首台拥有自主知识产权的1000W工业级光 纤激光器在西安诞生。

10)    2012年11月,华工科技旗下华工激光与锐科公司共同研制的4千瓦光纤激光器,通过了省级科技成果鉴定。鉴定专家组主任委员、中国光学学会理事长周炳琨院士指出,这项技术填补了国内空白,达到国际先进水平,获得4项国家发明专利。

6. 我国的量子-光纤激光器企业

1)   海特光电(1999年8月成立)

2)   山东华光光电(1999.11.)(1KW、6KW、10KW)

3)   西安华科光电(2002.9.)

4)   北京凯普林光电(2003.3.)915nm,(3000瓦)

5)   西安欧益光电(2006.10.)

6)   北京吉泰基业(2007.6.)

7)    西安炬光科技(2009.9.)等

8)    华工科技(王肇中)投资6000万元(4000瓦)

9)    长光华芯   915nm,(1500瓦)

10)    大族激光

11)    锐科激光   915nm,(4000瓦)

12)    创鑫激光   915nm, (3000瓦)

图54.

深圳一家公司利用全无铟金锡焊料封装工艺技术,用于泵浦固体和光纤激光器,通常工作在100μs-300μs的脉冲宽度范围内。结心温度由55度C降到35度C。GS04-5型(5个巴条)在QCW(QCW quasi-continuous  wave准连续波)下通常运行指标:1500瓦、200μs、20 Hz。波长 :803.54 nm。

图55. 2.5克传导冷却叠阵激光器的特性曲线和寿命、环境试验

7. 正待开展的研究内容

一.  器件研制

1.  量子级联激光器

1)15—1000μm波长的连续可调拓展

2)功率和效率的提升

2.  量子阱、量子点激光器 、光子晶体

1)可见光、红外、紫外波段拓展

2)功率和效率的提升和光子存储

二.  应用研究

1.  直接应用:

2.  雷达、跟踪、制导

3.  工业加工、激光生物、医疗、激光武器

三.  理论研究

1.  光子-能量存储器的光子晶体理论研究

由于本人知识水平和所收集资料有限,上述内容有不妥之处,希予指正。

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【讨论与交流】

 

宋家骏:谢谢单焕炎研究员做了内容很丰富的报告。这些东西我们国家是有,但是我们所尚没有做,单老师只是传递给了我们一些资料和信息,下面就请大家发表自己的看法

王庚辰:我们不做激光器,但是用激光器,大概是1962年就开始了,主要是和人家协作,在地面用,也在卫星上用,所以我们遇到了很大的问题,限制了我们很多地方的应用。对量子光纤激光器,从使用的角度我们非常感兴趣,应用的范围很宽,但主要集中在1-15微米范围。这个量子激光器应该是哪一种?是单模的还是多模的?另外就是谱线的宽度应该是越窄越好,10纳米对我们来说是有点宽了,例如,二氧化碳的谱线旁边有很多其它气体的吸收,要是谱线本身很宽的话其它的干扰谱线就不易排除,所以我们希望谱线越窄越好。输出的谱线最窄能够达到多少?能不能做到比10纳米更窄?10微米范围以内是不是能够找到可用的量子光纤激光器?最高重复频率可以达到多少?

单焕炎:量子激光器体积很小,能够用于不同的探测,包括雷达或者大气探测,安徽光机所已经做了,甚至已经在南极站用上了,就像气象观测站一样,可测量大气的成分,你可以提要什么波长,要什么参数指标,向一些企业提出要求,因为现在并不是什么指标都能达到,原来我们用的红光量子激光器,我向企业提出要多大功率、什么波长、参数等,企业会根据你的要求将芯片封装好,只要把你的信号输入进去激光就出来了。

现在企业就是这么服务到家,有些企业就是这样,不能说每一个波长都能做到,比如15-1000微米,理论上可以调谐,但是到现在为止还不能在整个波段连续可调,只能分段可调,在几个波段范围,波长可以调谐了,功率能不能达到你的要求,你要的调制频率和带宽,符不符合你的要求,不提出来的话不知道你要什么,现在能做到什么程度,能够用到药品等检测上。一些公司不知道用户需要什么样的参数指标,你们要的带宽是多少,波长和重复率是多少等,不见得都可以满足,但是企业可以按照你的要求,能够做到的会尽量做到。

何远光:刚才你讲了量子激光器和光纤激光器,最后是讲量子和光纤两种激光器组合在一起,量子和光纤组合以后的发展趋势是什么?目前的难点在什么地方?我们应该往哪个方向发展?我们想听一听这个学科的发展怎么样,有没有什么需要解决的前沿科学技术问题,对科研来讲应该做什么样的科研布局,希望听一听这方面的意见。

单焕炎:量子激光器单个量子点可以达到1瓦左右,很多同事可能看不上,但是做成把(Bar)以后就可以做到几瓦,十几瓦甚至几十瓦。而且是从光纤输出来的,可以达到几十瓦甚至上百瓦的功率,输出到光纤激光器的内包层里面,从量子激光器出来的每一根光纤的功率都不太高,就是几十瓦甚至几百瓦,但是有几十根光纤往光纤激光器的内包层里面输入,就可以获得更高功率、单模和不同波长的光纤激光输出。因为光纤芯里面的激活介质不同输出的波长就不一样,可以不断地把这个功率放大,而且是单模输出,光纤激光器就可以做到几千瓦甚至几十千瓦,用于加工和医疗各个方面,甚至可以做成星载激光武器。光纤激光器的功率可以做得非常高,这种武器可以放在卫星上面,专门对付导弹、卫星,刚发射出来的导弹我们就可以对付,要是导弹飞到我的国土上再对付的话就已经晚了。因为波长可以改变,参数也可以改变,可以替代现在传统的气体激光器和固体激光器的用途,因为比较简单、轻便、耐用。

钮得禄:目前点量子激光噐最大输出可做到120W,几千个点激光器集成起来就不得了。研制这种高功率激光武器有二大难点,一个是材料,我国研制的激光武器材料是硼铍钾(KBBF),我们都未听到过,另一个难点是微纳米光刻技术。国外光刻机已做到7纳米,现在我国纳米光刻机已做到25纳米。点量子激光噐还可以做成高功率焊接机。像飞机上的高速发动机,许多材料都是用的高温材料,大都是利用激光焊接的。像我们研制的栅控高功率速调管,耐高温的栅极材料就是利用3维激光头加工的。以前我们都不知道。量子激光器也可以做的很小,应用在生物学中,所用的集成先可在血管中运动。点量子激光器己成功的应用在白动驾驶汽车中。它的应用可以说非常广泛。

王玉富:我是半导体所的,很高兴参加这次沙龙。我们所现在是十三个室级单位,七个是光电子学,这个学科是我们所的重点方向之一。11月22日我们也要办沙龙,其中有一个报告就是量子级联激光器,就是以半导体的微结构为基础进行量子功能设计,又有级联特征、光电性能的可调控激光器,我们所在这方面做了大量的研究工作,我们的沙龙将讲一讲他们怎么做激光器的科研工作,现在发展到了什么情况?有着什么样的发展前景?虽然我本人不是搞这个专业的,但是觉得这是一个重要的发展方向,光芯片产业现在做得越来越大,特别是伴随着5G通讯、数据处理、大数据年代的到来,半导体光电子的重要性越来越大,在整个数据领域当中都在慢慢侵蚀原来的IC领地。因此,这是一个重要的发展方向。欢迎大家参加我们22日的沙龙。

李悌兴:刚才听了单老师做的精彩报告,对于量子激光器、光纤激光器和量子光纤激光器的工作原理、发展状况和应用前景有了比较系统的了解,受益匪浅。近来我比较感兴趣的是激光武器。单老师报道的美国人三十千瓦的舰载光纤激光武器已经可以打下无人机,但那个无人机是在500米以下,500米以上就不行了。据老单的报告,目前量子激光器,好像输出功率、能量都不是很大,不大可能作为激光武器。

孙克忠:我是地质地球物理所的研究人员,我们所的研究方向基本上就是地面的石头和地下的深部构造。我听了今天的报告后,感觉激光方面的发展很快,也做了很多仪器。搞这种仪器是相当难的。我们单位要搞一个地震仪,在地面测量的地震仪好研制,在井下测量的地震仪,就是在一两百米地下测量的地震仪比较难,现在又在搞海底地震仪,其目的就是测量海底地下的矿藏和石油。现在回头来看我们国家的仪器的发展,尤其是自己研制的仪器的发展,还是非常快的,是我们值得骄傲的。听了今天的学术沙龙的主旨报告,我想问激光器最小的功率是多少、最大的功率是多少?比如微创手术大体需要多大功率?高空飞机又需有多大功率?要是打飞机的话,路途的能量衰减率大概是多少?

单焕炎:激光器有不同的用途,对激光功率的要求是不一样的,比如激光碎石几十瓦就足够了,太大的话会损伤人体器官,各种激光器的参数指标是不一样的,比如激光武器要求的能量为107焦尔、作用时间是5微秒,光束发散角是0.5毫弧度,激光武器主要参数指标大概是这么几个,这个能量是很高的。 现在单根光纤能够做到吗?做不到的话怎么办?光纤直径一般为200μm,每根光纤输出都是一束单模激光,假如我们做一个透镜,这个透镜的直径是1米,200μm的光纤可以捆多少光纤在这里?就用这个透镜把大批光纤出来的光聚焦,正对着你的目标打过去,每根光纤承受的功率就可以大大下降。气象探测的话可能几瓦就够了,发射一个光束出去接收一个光子回来,几瓦功率就够了,但是有峰值功率的要求,要看测多大距离、测多大范围,需要根据你的用途。

有人说激光武器很厉害,打到3000公里,每平方厘米35000焦耳,不管怎么说光束都是发散的,打到3000公里,光束直径就算1公里吧,算一算这是多少焦耳?我估计有些虚誇,要做的话也就是看激光核聚变的能量能否做到。

各种用途都要经常互相交流,其中包括研究单位之间的交流,还有包括我们和企业之间的交流。企业现在可以自己整体设计,把控制部分与芯片封装在一起,这个芯片只有这么大,但是卖得贵,单个量子激光器很小,用光纤耦合输出,光纤再和光纤聚合起来,这个能量就可以变得很大。因为每个芯片很小、很轻,封装后很可靠,用途也很广。

林世昌:我们之所以提出了量子光纤激光器这个题目,因为认为是前沿科技,但我们所还没有搞,希望研究一下是否做。单老师通过调查大量的文献资料,也有很多量子力学方面的基础知识,提出一些看法。大家可以互相交流,各抒己见,有不同意见也可以,请大家出谋划策,提些建议,这样就可以把建议搞得更扎实一点。我觉得,量子激光器、光纤激光器讲得比较清楚,二者的结合讲得还不太清楚。半导体所这方面搞得比较多,其它的应用包括大气测量,有没有什么要求和体会?这样肯定更加充分一些。

屠乃琪:刚才单老师介绍了量子光纤激光器,这个领域我是一个外行,单老师介绍的基本概念、基本理论比较透彻,也在这个领域增长了一些新的知识。我们天文台原来研制人造卫星(月球)激光测距仪,就是利用红宝石固体激光器打到地球卫星上面的角反射器上面,接收回波,探测距离,通过大量的数据获得观测站至卫星(月球)之间的距离,进行地球动力学,天体力学的研究,就是应用的激光器。单老师介绍的新型固体量子纤维激光器,也让我们增长了新的知识,原来固体的是红宝石激光器,体积非常庞大,储存设备也很大,将来是不是能够改进?再就是量子存储器是新的课题,因为存储器有很多,电容存储器、量子存储器有待探讨。量子激光器在国防通讯和激光武器方面,我们国家也做了大量的工作,这方面肯定是有人做的,相信不会和国外差得太远。现在我们有很多新的东西,就是要看有关部门怎么分工合作,我国搞半导体激光器方面,就有半导体研究所,长春光机所、上海光机所、深圳和山东大学等等,不知道各方面的分工怎么样。

王柏懿:的确我是外行,很多方面都不懂。但我们力所也是一个激光应用部门,原来我们就是用激光器处理材料表面,增强增韧和表面改性在各个领域都有应用。在工业应用中,对激光设备有一定要求,我们采用的是YAG激光,设备的体积已经比较小了,但是到工厂里运行还是比较费劲,要有专门的操作间需要维护,所以激光的工业推广应用需要激光器不断地改进。量子光纤激光器的出现,将会使得激光器在未来有更广的应用。

今天我是受了很大的教育,科普了激光器的发展。如果像王玉富同志所说,半导体所的沙龙能够更进一步地介绍他们在这方面进展的话,那是很好的。刚才单老师讲了比较多的量子光纤激光器的优点,但是没有讲它的缺点,它在应用方面到底有哪些限制?一个新技术的发展还会有很多的问题,我觉得还没有听到。

今天知道了电子所原来有不少研究人员在做激光器,现在不知道电子所还有没有人在做激光器的?就是那种最新型的量子光纤激光器(当然,半导体所肯定在做)。我们院内有那么多的应用激光器的单位,包括大气所、地质所、天文台,但是他们需要的是集成后的雷达装置。电子所在研制雷达方面应该很厉害,记得你们还有一个雷达卫星在做。我们科学院是不是能够加速这种集成过程?要是能够把院内各个方面的力量(例如半导体所、电子所)集成起来,不仅只是各部门在研制发展器件,而是通过一定的机制把它们综合成为大型装置。我们就可以在科研成果的转化方面加速一些,需求都有了(大气所,地质所,天文台等等),再有集成的话,也许创新成果就会更好一点。

洪延超:激光可以用于大气探测,例如测云底高度。目前,人工增雨是向云中引入一些催化剂,改变云中降水形成过程,来增加地面的降水。最近有人做了实验,说声波可以加速云中粒子的碰并过程,将来有条件的话是不是可以用激光做试验?单老师花了很多精力调研国内外激光器的制作情况以及发展过程,自己也有设想,可以研制一种新的激光器,将来是不是可以研制出这样的激光器?输出的各种参数相比其它激光器应该会更好一些。单老师因为了解激光领域的情况,自己又是做这方面工作的,希望能够把研制激光器这件事情更具体化一点,哪怕有个初步的设计方案,可以再进一步开个专题研讨会,征求一下国内同行专家的意见,提出什么条件下我们可以进一步来做这件事情?只要有这样的设想,又是可行的话,政府应该是会支持的。

林世昌:我觉得这样很好,单老师也是在电子所老科协专家建议座谈会上提出来的,要是能够把这个范围扩大,内容更加充实就更好,有的单位已经搞了光纤激光器和量子激光器。以前我们搞沙龙都是讲我们所前沿的学科,特别是遥感、传感噐、激光等等,但是以前我们只是反映情况和讨论交流,要是有可能的话这次沙龙可以搞些建议出来。

洪延超:我们可以向北京科协申请高端论坛,就是量子光纤激光器方面的论坛。

单焕炎:光纤激光器有没有什么问题?现在也不能说一点问题都没有,从量子激光器耦合到光纤激光器问题不太大,但是要把光纤和光纤之间相互组合,现在有的已经做得很好,我们自己是不是能够做到?这是一个技术问题,人家做到耦合效率百分之九十八,光纤本身很细,一般都是在一百微米到二百微米左右,要是把很多根光纤的光束耦合到一根光纤里,这是一个工艺的问题,但是现在这些问题看来是可以解决的。

王庚辰:历史上看,很多国家研究激光武器都失败了,因为发出的激光在大气当中运行,别说一千公里、三千公里,有的传输甚至上百公里就完了,比如雾霾天气传输距离就会大大降低。所以我建议激光药可调谐的,要是这激光不可调谐的话,激光武器就是无稽之谈。很多国家激光武器失败就在这里,平时计算做得很好,一到实际打击应用遇到不利的气象条件马上就失败了。

宋家骏:由于时间限制,我们的讨论就到此,下面请蔡榕书记讲话。

蔡 榕:各位都是前辈,今天来了以后学到了很多东西。院里的要求是希望我们把这个创新链拉长,今天也给了我们一个启示,或者需要我们认真考虑清楚,我们搞光学工程是不是要做到材料、器件?从那里开始往下做?因为现在空天信息院做器件的、做平台的、做探测设备的,包括光学相机和雷达都有,后面还有信息的处理、信息的深挖,一直到直接为用户服务。成立空天院的主要目的就是希望把创新链拉长,服务能够直接面向用户,这个长度是不是够?我们也没有想得很清楚,我们最近也在组织空天信息院“十四五”的战略规划,按照原来院里的想法,好像我们都是八个十个方向都很重要,很难说哪一个就是应该集中力量往前走的。

当然,我们还是在不断地凝练和迭代的过程当中,希望各位老领导、老专家给我们空天信息院未来的发展提出重要的意见和建议,特别是对我们主攻方向、主要学科点给予指导和帮助。

我们干着眼前的事情,还是要想清楚未来空天信息院是什么样子,应该是怎样的科研机构,能够体现我们国家战略科技力量的作用和地位。现在起的名字叫做空天信息,但是这个名字非常大,现有的内涵还不足以涵盖空天信息所有的内容,我们自己怎么定位,我们自己如何发展,然后做出有特色的,符合战略科技力量定位的工作,这些对我们来讲也是非常重要的事情。希望在座的各位老领导、老同志、老专家给我们建言献策,并且在相关工作当中给予我们全力的支持。

何远光:这里还想对沙龙提出一点希望。我们的沙龙是学术前沿沙龙,单老师对量子激光器和光纤激光器融合提得稍微少了一点,背景讲的太多了。当然,我的理解就是把量子激光器作为一个泵浦光源打入光纤激光器,这样出来的能量更大更好,在这种情况下肯定就要解决一系列的技术问题和材料问题。沙龙选题方面应该更好地结合空天创新研究院的学科发展,报告也要更多地涉及学术发展前沿性的问题。要坚持开门办沙龙,今天请的专业人士太少了,碰撞显得不够。要把科学院有关的专家集中起来讨论某一个问题,这样做对这个学科的发展更有效。

感谢报告人,也感谢在座的各位同志参加老科协沙龙,希望今后电子所分会老科协的工作在蔡榕书记领导下做得更好。

桂文庄:今天单老师的报告信息量很大,比较全面和系统地介绍了量子激光器有关的技术、科学原理和应用。这次沙龙的目的是不是要为我们将来空天信息研究院在这个方向的发展做一些启发性、引导性的讨论?报告让我们了解到了量子激光器现在发展到了什么状态,但是怎么紧扣空天信息研究院将来的发展讨论不够。我院在量子激光器方面已经有了很多工作。量子激光器从量子阱一直到量子点、级联激光器都有部署。量子激光器是半导体所的一个主要研究方向,他们的量子阱激光器做得非常好,2005年他们做出量子点激光器。在光纤激光器方面,上海光机所和西安光机所都做了大量的工作,半导体所也做了。上海光机所做得比较多,据说大概是20千瓦以上的很早就做出来了。西安做的光子晶体激光器我还不太了解,还是第一次听单老师讲这个事情。量子级联激光器上海微系统所、半导体所都有研究,上海研制的16微米工作做得很好,用于太赫兹源,后来他们成立了太赫兹的院重点实验室。垂直腔面发射激光器半长春光机所做得非常好,也是2005年以前的事情。所以说,我们院里已经有了长期的研究部署。空天信息研究院在考虑部署这些事情的时候一定要考虑到全院已有的布局和我们怎样在里面做好定位。

量子激光器主要的难度还是在设备和工艺,这一大套半导体设备,搞起来不是一件简单的事情。所以如果要在空天研究院部署量子激光器前端的研制生产部分,花费是非常之大的,这些都是值得做规划的时候好好考虑的。我们讨论这件事情要从光电信息院整体出发,当时电子所激光器做得很好,做的是高功率二氧化碳激光器。当时院里就是两家,一家是长春光机所,一家是电子所,两家还在不断PK。现在怎么继续往下做不太清楚,可能空天信息院要好好研究。最重要的是要应用需求驱动来部署和规划我们将来的发展,不是说这个东西好就要去做,我们应该做出自己的特色,就是自己在应用上的不可替代性。今天的沙龙讨论我们空天院电子所这部分,未来激光这件事情上该怎么发展,也许我们应该在面向应用需求的前提下,集成现在已经发展起来的技术。

2005年以前我国做激光器哪有什么企业?现在已经有不少企业都做得很好,什么指标什么性能都有,情况已经大不相同。所以,我们考虑研究所的布局时,也要考虑到全国企业发展的状态。这个沙龙一般只有半天时间,大家对很多问题没有特别深入的探讨,多多少少有点科普的性质。我们办沙龙的目的是要真正地讨论一些科学技术问题,甚至现在还在争议的问题,围绕这些问题进行深入的讨论。

朱敏慧:有关激光技术在电子所发展的问题,在近十年电子所学术委员会讨论了多次,希望将我所技术优势合成孔径雷达系统和激光技术结合起来,能够向系统方向发展,即发展激光合成孔径雷达和光-微波雷达,现在已经有了进展。

现在我们是在发展探测技术,扩大人类对这个世界的认知工具,沿着声波-微波毫米波太赫兹-光子量子技术,站在这样一个高度思考。随着现代高新技术颠覆性技术不断拥现,我们应该怎么来搞?我们电子所搞微波毫米波的空天地应用,微波毫米波的技术和设备如合成孔径雷达的角度来讲,实际上也有技术成熟,也有一个临界和极限问题。刚才讲的激光也是存在这样的问题。过去微电子所领导也跟我们交流了很多次,微波射频部分怎么作到芯片上?今天的发展实际上也是往这个上面努力。实际上主要就是两个问题:从元器件方面讲一个是材料、另一个是工艺制造问题;从系统关键问题讲,重点在发现定位精确打击。作为科学院单位我们在探测设备和技术方面有优势也有劣处,那么我们的发展该往哪个方向?比如我们到大湾区分院发展太赫兹技术,切入口和重点应该发展什么?未来发展趋势究竟在哪儿?是需要我们认证和梳理清楚。

科学院的空天院一定要有自己的特色。我们科学院的空天信息研究院到底要搞什么?在科学院空间科学是在国内占绝对领先的,空天信息院目标能否和空间科学相结合?那是目前很少有人在考虑的。在今天讨论光纤量子光纤激光器技术,我院高技术局就开始在半导体所、微电子所等所很早部署了,空天信息院怎么和空间科学结合?这些应该可以作为一个主要的方向。实际上这是要做很大量的调研和认证工作,真的是站在国家的层面来考虑发展问题,现在有的时候太可怕了,一样东西说得好的不得了,浪费了大量人力和物力,没有全局观念,其实都是因为背后某些利益集团的作祟。

陈至立曾经跟我们说过一句话,在判断有所为有所不为时,最难办的就是有所不为,有些方向还是有偏废的,很多顶级的科学家只能在他这个领域发声,而且领导很容易听到,另外的声音就听不见。如20年前我们就提出海洋强国海洋强军思想,雷达朝向海洋应用方向发展,高校相关的专业很少,1997年筹备国防重点实验室的时候主要目标就是发展海洋探测技术,但因为这方面顶尖专家少,难以得到支持,当然现在已经得到大家公认,有了强力度支持和大发展。

我希望再也不要以拿到多少钱来衡量,这样的话基础性和前瞻性研究是没人做也做不好的,过去我们真的是没钱,国家实验室就是一两万块钱还在那里做事情,看起来没有什么经济效益但有前瞻性的工作就是要部署。

张志林:根据蔡榕老师提的空天院的发展方向问题和敏慧老师刚才的发言,我说一点意见:八十年代中国科学院最低谷的时期,光召院长在深入调研以后说了一段话:我们院一定要集中优势,做出特色,在科技五路大军所不能为、国家急需的地方,我们中国科学院必须努力做出贡献!建议蔡榕老师在考虑空天院的发展方向时参考。

林世昌:由于时间关系,我们就不再继续讨论了。我们通过老科协的平台有一些体会,要尽量搞出特色。今天几位领导同志提出了对我们沙龙的要求,结合目前的前沿科学,也要结合我们单位的发展方向,这一点非常重要,我们要好好地领会和研究,以后我们还可以再接着搞。今天的会议非常热烈,特别是领导和领导对我们的鼓励和支持,老同志也有自己的想法和思路,希望对所里的工作有所促进。

今天的沙龙活动到此结束。最后要谢谢大家!

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