目錄

• 簡(jiǎn)介

• 主持人致辭

• 主旨報(bào)告

• 單煥炎：量子-光纖激光器

• 討論與交流

• 主要專(zhuān)家簡(jiǎn)介：

• 展開(kāi)

【簡(jiǎn)介】

量子激光器是激光激活區(qū)的三維尺度接近或小于10nm的半導(dǎo)體激光器，當(dāng)一維尺度在10nm左右時(shí)稱(chēng)為量子阱激光器，當(dāng)兩維尺度在10nm左右時(shí)稱(chēng)為量子線激光器，當(dāng)三位尺度在10nm左右時(shí)稱(chēng)為量子點(diǎn)激光器。此外，還有應(yīng)變量子激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器等。

光纖激光器其實(shí)是固體激光器的延伸和發(fā)展，具有很多優(yōu)勢(shì)。光纖成本低、撓度好，帶來(lái)小型化、集約化優(yōu)勢(shì);只需簡(jiǎn)單的風(fēng)冷，散熱快、損耗低，轉(zhuǎn)換效率較高，激光閾值低; 輸出激光波長(zhǎng)多，具有可調(diào)諧性；具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，可以容忍惡劣的工作環(huán)境；綜合電光效率高，可以輸出較高功率。

量子光纖激光器是一種把量子激光器和光纖激光器集成在一起的高功率、多用途的激光器。由于量子激光器的體積小，輕便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換效率高，安全可靠，壽命長(zhǎng)，易集成，維護(hù)簡(jiǎn)便，即啟即用，可與光纖激光器集成為高功率、高能量的多用途激光系統(tǒng)，能夠廣泛用于通信、工業(yè)加工、探測(cè)、雷達(dá)、跟蹤、醫(yī)療等領(lǐng)域。量子光纖激光器的應(yīng)用廣泛，預(yù)計(jì)可替代現(xiàn)有的絕大多數(shù)氣體和固體激光器，是防御性星載激光武器最理想的候選武器。

本次沙龍就是介紹和討論量子光纖激光器基本問(wèn)題、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景。

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【主持人致辭】

宋家駿：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專(zhuān)家，今天我們舉行空天信息院電子分會(huì)承辦的第八次科技前沿沙龍，這次沙龍是由單煥炎研究員做主旨報(bào)告，講解量子光纖激光器。下面請(qǐng)林世昌理事長(zhǎng)致辭。

林世昌：今天很高興這么多領(lǐng)導(dǎo)、這么多專(zhuān)家蒞臨我們的沙龍活動(dòng)，歡迎大家的光臨！今天我們講的是激光方面的專(zhuān)題，激光在電子所歷史很悠久了，實(shí)際上成立電子所以來(lái)就有激光學(xué)科，到現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)了六十多年，但是仍在不斷發(fā)展。我們電子分會(huì)在專(zhuān)家建議座談會(huì)上提出量子光纖激光，這個(gè)題目挺新穎挺前沿，今天辦這個(gè)沙龍請(qǐng)大家一起來(lái)討論。

單煥炎研究員從事激光研究已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間了，取得了很好的成績(jī)，對(duì)開(kāi)展量子激光的研究頗有想法，目前我們電子所尚未開(kāi)展這方面的工作，希望通過(guò)今天的沙龍對(duì)此項(xiàng)研究工作起到一定的推動(dòng)作用。

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【主旨報(bào)告】

單煥炎  量子-光纖激光器

今天我來(lái)介紹一下量子-光纖激光器，分四個(gè)問(wèn)題講：一、什么是量子-光纖激光器；二、量子激光器發(fā)展的狀況和應(yīng)用；三、光纖激光器發(fā)展的狀況和應(yīng)用；四、我國(guó)量子-光纖激光器發(fā)展概況。

一.  什么是量子-光纖激光器

量子-光纖激光器是一種把量子激光器和光纖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傳統(tǒng)的氣體和固體激光器的趨勢(shì)。

那么什么又是量子激光器和光纖激光器呢？

量子激光器是激光有源區(qū)壓縮到10 nm左右的激光器稱(chēng)為量子激光器。是在半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

當(dāng)激光有源區(qū)的尺度不斷壓縮，壓到10 nm左右時(shí)，由量變發(fā)生了質(zhì)的變化，量子效應(yīng)起了關(guān)鍵性的作用，使激光器的參數(shù)指標(biāo)不但沒(méi)有下降，反而得到大幅提升，用途也大為擴(kuò)展。

以砷化鎵（GaAs）為例，沒(méi)有摻雜的砷化鎵本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)是由砷原子和鎵原子分別構(gòu)成的兩個(gè)面心立方沿一條對(duì)角線位移其四分之一長(zhǎng)度套構(gòu)而成的。如圖1所示。

圖1. 砷化鎵晶體的面心立方結(jié)構(gòu)

如果有一小部分面心立方中的一個(gè)五價(jià)的砷原子被一個(gè)六價(jià)的碲原子替代，它就由本征半導(dǎo)體變成n型半導(dǎo)體，如果有一小部分面心立方中的一個(gè)三價(jià)的鎵原子被一個(gè)兩價(jià)的鋅原子替代，它就由本征半導(dǎo)體變成P型半導(dǎo)體。

將P型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體對(duì)接在一起，在對(duì)接的一小部分區(qū)域，由于擴(kuò)散和漂移形成具有內(nèi)建電場(chǎng)E的P-N結(jié)。

圖2. P-N結(jié)的形成

這個(gè)P-N結(jié)有許多我們可利用的特性，例如：在電路中常用到的單向?qū)щ姷恼鞫O管、照明用到的發(fā)光二極管和激光二極管等。

圖3. 半導(dǎo)體P-N結(jié)的一些用途

圖4. 孤立原子的能級(jí)和晶體的能帶

孤立原子的能級(jí)是一個(gè)一個(gè)分立的，當(dāng)大量原子形成晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，孤立原子每個(gè)分立的能級(jí)受其它原子的作用分裂成大量相隔很近的能級(jí)，形成能帶，能帶和能帶之間有一段間隙，稱(chēng)為禁帶或帶隙。

半導(dǎo)體激光器有源區(qū)的尺度約為：0.1—0.3μm，在這個(gè)尺度下，能帶中的能級(jí)之間的間隔很小，由于熱運(yùn)動(dòng)，電子很容易從一個(gè)能級(jí)遷移到另一個(gè)能級(jí)。這就使半導(dǎo)體激光器常出現(xiàn)以下問(wèn)題：

1.  由于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，使得可產(chǎn)生的激光譜線眾多，功率小。

2.  閾值電流大，效率不夠高。

3.  出現(xiàn)頻率啁啾，用途受限。

4.  光譜線寬寬，調(diào)制帶寬受限。

5.  譜線波長(zhǎng)受溫度影響嚴(yán)重。

我們將激光有源區(qū)的三維尺度逐一大幅減小，把一維X方向的邊長(zhǎng)壓縮到10納米，我們就把它叫做量子阱激光器，把兩維X、Y方向都?jí)嚎s到10納米，就叫做量子線激光器。三維空間都?jí)嚎s到10納米左右，我們就把它稱(chēng)為量子點(diǎn)激光器。

圖5. 量子激光器有源區(qū)的尺度

(一) . 量子激光器

我們將半導(dǎo)體激光器有源區(qū)尺度逐一大幅減小的激光器稱(chēng)為量子激光器,是因?yàn)榱孔儼l(fā)生了質(zhì)變,量子效應(yīng)起了關(guān)鍵作用,使得激光器的參數(shù)指標(biāo)不但沒(méi)有下降,反而有了大幅提升，用途也大大擴(kuò)展。

為了說(shuō)明量子效應(yīng)的作用，我們把一個(gè)電子限制在一個(gè)邊長(zhǎng)分別LX、LY、LZ的長(zhǎng)方形盒子中，如圖6所示。通過(guò)求解薛定諤方程我們很容易得到，一個(gè)電子在長(zhǎng)方形盒子中的波函數(shù)、動(dòng)量本征值和能量的本征值的表達(dá)式分別為：

圖6.  一個(gè)電子被限制在一個(gè)長(zhǎng)方形的盒子中

電子的波函數(shù)為:

  (1)

動(dòng)量的本證值為：

, ,  (2)

能量的本證值為：

   (3)

式中nx、ny、nz = 0、±1、±2、±3、……、±m(xù)、……

我們來(lái)看能量En的本征值，括號(hào)前是一個(gè)常數(shù)，括號(hào)中有六個(gè)變量，其中nx、ny、nz是三個(gè)分別取正、負(fù)整數(shù)的量子數(shù)，Lx、Ly、Lz分別是長(zhǎng)方形盒子的邊長(zhǎng)，而且Lx、Ly、Lz分別以平方的形式出現(xiàn)在分母上。設(shè)想一下：如果將三個(gè)邊長(zhǎng)逐一分別壓縮到原來(lái)的1/10、1/20、1/30，則能級(jí)之間的間隔就會(huì)分別擴(kuò)大100倍、400倍、900倍。能級(jí)之間間隔百倍的擴(kuò)大將使?fàn)顟B(tài)密度發(fā)生如圖7所示的變化，所謂狀態(tài)密度是指單位能量間隔內(nèi)的狀態(tài)數(shù)，即：D(E) = dN/dE。

圖7.  長(zhǎng)方形盒子邊長(zhǎng)分別壓縮后電子狀態(tài)密度的變化

由圖7可見(jiàn)，量子點(diǎn)的狀態(tài)密度由能帶又回到了原子、分子的分立能級(jí)狀態(tài)。

由圖4，當(dāng)半導(dǎo)體的激活區(qū)在0.1—0.3μm時(shí)，每個(gè)能帶中的能級(jí)之間的間隔是很小的，也就是說(shuō)能級(jí)密度很高，電子由于熱運(yùn)動(dòng)，很容易從一個(gè)能級(jí)跳躍到另一個(gè)能級(jí)，這就使半導(dǎo)體激光器常出現(xiàn)前面所提到的五個(gè)問(wèn)題。

現(xiàn)在將長(zhǎng)方形盒子的邊長(zhǎng)逐一大幅壓縮，能級(jí)之間的間隔大幅增加，電子就不能輕易從一個(gè)能級(jí)跳躍到另一個(gè)能級(jí)，使激光譜線更專(zhuān)一，減少了電子在不需要的能級(jí)上的分布，由于量子效應(yīng)起了作用，激活區(qū)的逐一壓縮，激光器的參數(shù)指標(biāo)不但沒(méi)有減弱，反而得到大幅提升，故而將這些激光器分別稱(chēng)為量子阱激光器、量子線激光器和量子點(diǎn)激光器。要注意的是公式中的電子質(zhì)量要用電子在晶體中的有效質(zhì)量。

能帶的變化導(dǎo)致的結(jié)果是：

1.  隨著維數(shù)減少，能級(jí)的密度減小。

1）提高了注入載流子的利用率；

2）提高了微分增益dg/dN；

3）降低了閾值電流；

4）減少了載流子的內(nèi)部損耗，提高了效率；

5）提高了激光器的調(diào)制帶寬：

6）減少了頻率啁啾

2.  由于Eg-q > Eg-b ，量子阱激光的波長(zhǎng)小于普通LD。

3.  階帶中重空穴和輕空穴能帶的分離，導(dǎo)致階帶和導(dǎo)帶能態(tài)密度的不對(duì)稱(chēng)，提高了閾值電流，降低了微分增益。這可通過(guò)引入應(yīng)變和補(bǔ)賞應(yīng)變得到克服。

1. 一維量子阱超晶格結(jié)構(gòu)

一維量子阱超晶格是指由交替生長(zhǎng)兩種帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu)。 制作量子阱結(jié)構(gòu)需要用超薄層的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)這種思想是1968年Bell實(shí)驗(yàn)室的江崎（Esaki）和朱肇祥首先提出的，并于1970年首次在GaAs半導(dǎo)體上制成了超晶格結(jié)構(gòu)。江崎等人把超晶格分為兩類(lèi)：成分超晶格和摻雜超晶格。理想超晶格的空間結(jié)構(gòu)及兩種材料的能帶分布分別如圖8和圖9所示：

圖8、圖9：一維量子阱超晶格結(jié)構(gòu)和能帶圖

如果產(chǎn)生激光的電子躍遷發(fā)生在交替薄層的窄帶隙之間，我們稱(chēng)其為量子阱激光器，如圖10所示，如果產(chǎn)生激光的電子躍遷發(fā)生在導(dǎo)帶的帶隙之間，我們稱(chēng)其為量子級(jí)聯(lián)激光器，如圖11所示。

圖10. 量子阱激光器的電子躍遷             圖11. 量子級(jí)聯(lián)激光器的電子躍遷

由于交替薄層窄帶隙的寬度比導(dǎo)帶帶隙的寬度寬，量子阱激光器的波長(zhǎng)比量子級(jí)聯(lián)激光器的波長(zhǎng)短，一般在中紅外到可見(jiàn)光波段，量子級(jí)聯(lián)激光器的波長(zhǎng)在2μm—1000μm，即中紅外到太赫茲波段，而且可通過(guò)改變交替薄層的厚度來(lái)調(diào)節(jié)。

圖12. 普通半導(dǎo)體激光器和量子級(jí)聯(lián)激光器產(chǎn)生光子過(guò)程比較

量子級(jí)聯(lián)激光器的工作原理與通常的半導(dǎo)體激光器截然不同，它打破了傳統(tǒng)p-n結(jié)型半導(dǎo)體激光器的電子-空穴復(fù)合受激輻射機(jī)制，量子級(jí)聯(lián)激光器受激輻射過(guò)程只有導(dǎo)帶中的電子參與，從而實(shí)現(xiàn)單電子注入的多光子輸出，且可以輕松地通過(guò)改變量子阱層的厚度來(lái)改變激光波長(zhǎng)。

量子級(jí)聯(lián)激光器比其它激光器優(yōu)勢(shì)在于它的級(jí)聯(lián)過(guò)程，電子從高能級(jí)跳躍到低能級(jí)過(guò)程中，不但沒(méi)有損失，還可以注入下一個(gè)過(guò)程再次發(fā)光。

圖13. 多量子阱與超晶格量子級(jí)聯(lián)的差別

多量子阱和超晶格量子級(jí)聯(lián)的本質(zhì)差別在于勢(shì)壘的寬度：當(dāng)勢(shì)壘很寬時(shí)電子不能從一個(gè)量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱之間沒(méi)有相互耦合，此為多量子阱的情況；當(dāng)勢(shì)壘足夠薄使得電子能從一個(gè)量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱相互耦合，此為超晶格量子級(jí)聯(lián)的情況。

圖15. 量子級(jí)聯(lián)激光器

2. 幾種激光器的增益系數(shù)和效率比較

我們知道半導(dǎo)體激光器的增益系數(shù)約為：

而普通連續(xù)波二氧化碳激光器的增益系數(shù)約為：

紅寶石、釹玻璃、YAG激光器的增益系數(shù)約為：

半導(dǎo)體激光器的效率可達(dá)： 40—50 % 。而氣體、固體激光器的效率達(dá)到： 20—30 % 就相當(dāng)不錯(cuò)了。

量子激光器的增益和效率分別為：

1）. 量子阱激光器的增益和效率

增益：30 - 50/cm

效率：50 - 60%

2）. 量子線激光器的增益和效率

增益：300 - 500/cm

效率：70 - 80%

3）.量子點(diǎn)激光器的增益和效率

增益：3000 - 4000/cm

效率：80 - 95% ，單管輸出功率達(dá)瓦級(jí)。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)量子激光器的維數(shù)逐一壓縮時(shí)，增益呈一個(gè)數(shù)量級(jí)、一個(gè)數(shù)量級(jí)地向上增長(zhǎng)，效益按10%—20%向上增長(zhǎng)。

3. 垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）

通常的激光器反射鏡都安裝在縱向的兩端，對(duì)于量子激光器由于尺度的大幅壓縮，可將反射鏡安裝在側(cè)面，做成垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。這個(gè)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可使激光輸出功率大幅提高。

圖16. 垂直腔面發(fā)射激光器                                    圖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，波長(zhǎng)405.8nm（藍(lán)光），是1997年研制出來(lái)的。1992年9月，雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的氮化鎵發(fā)光二極管試制成功。2014年10月7日憑借上世紀(jì)90年代初發(fā)明的高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管，日本的中村修二和赤崎勇、天野浩共同獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，中村修二致力研制綠光的激光器，據(jù)說(shuō)因?qū)е械拇罅侩娮記](méi)有與空穴復(fù)合把能量交給激光，而是把能量交給了其它電子，使其它電子跳躍到更高的能級(jí)的俄歇過(guò)程而消耗掉了，至今仍在努力克服這個(gè)問(wèn)題。

4. 量子激光器的諧振腔

量子激光器的諧振腔主要有以下幾種:

1).法布里—珀羅激光腔（FP-LD）

2).分布反饋激光腔（DFB-LD）

3).分布布拉格反射激光腔（DBR-LD）

4).垂直腔面發(fā)射激光腔（VCSEL）等

其中法布里—珀羅激光腔是激光器中常用到的，其它幾個(gè)腔如圖18、圖19、圖20所示 ：

圖18. 分布反饋激光腔                                   圖19. 分布布拉格反射激光腔

圖20. 垂直腔面發(fā)射激光腔

分布反饋激光腔是沿激光有源區(qū)的側(cè)面刻上一排光柵形成的腔。垂直腔面發(fā)射激光腔具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）. 易于實(shí)現(xiàn)二維平面和光電集成。

2）. 圓形光束易于實(shí)現(xiàn)與光纖的有效耦合。

3）. 有源區(qū)尺寸極小，可實(shí)現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流。

4）. 芯片生長(zhǎng)后無(wú)須解理、封裝即可進(jìn)行在片實(shí)驗(yàn)。

5）. 在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作。

6）. 成品率高、價(jià)格低。

圖21. 垂直腔面發(fā)射激光腔實(shí)例                              圖22. 垂直腔面發(fā)射激光腔實(shí)例

5. 量子激光器的種類(lèi)

根據(jù)有源區(qū)和機(jī)理的不同量子激光器有：

1）量子阱激光器 （有單量子阱和多量子阱激光器）

2）量子線激光器

3）量子點(diǎn)激光器

4）應(yīng)變量子激光器

5）級(jí)聯(lián)量子激光器

6）補(bǔ)賞應(yīng)變量子激光器

等等。

6. 量子激光器的問(wèn)題

量子激光器的問(wèn)題主要有：

1）重、輕空穴的出現(xiàn)使階帶簡(jiǎn)并能級(jí)分裂、態(tài)密度不對(duì)稱(chēng)。

2）晶格常數(shù)失配。

這兩個(gè)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致閾值電流上升，增益下降，譜線展寬。 通過(guò)引入應(yīng)變，這兩個(gè)問(wèn)題都得到了很好的解決，因而出現(xiàn)了應(yīng)變量子激光器和補(bǔ)償應(yīng)變量子激光器。

圖23. 重、輕空穴引起階帶空穴能級(jí)扭曲和分裂                                           圖24. 晶格失配引入應(yīng)變

7. 應(yīng)變量子激光器和補(bǔ)償應(yīng)變量子激光器

通常構(gòu)成量子阱的二種材料的晶格常數(shù)要經(jīng)過(guò)特殊選擇調(diào)整，以保證它們之間的晶格匹配，避免在其交界面區(qū)產(chǎn)生大量的失配位錯(cuò)，影響界面帶結(jié)構(gòu)和電子的輸運(yùn)，它大大限制了量子結(jié)構(gòu)材料選擇的自由度。

應(yīng)變量子阱就是利用晶格不匹配的兩種材料，用單原子層外延技術(shù)生長(zhǎng)在一起。由于材料物理特性的優(yōu)化，使得半導(dǎo)體發(fā)光器件的性能得到革命性的巨大改善。

圖25. 應(yīng)變量子阱材料的能帶圖

引入應(yīng)變和補(bǔ)償應(yīng)變改善階帶能級(jí)結(jié)構(gòu)。應(yīng)變的引入減小了空穴的有限質(zhì)量差，進(jìn)一步減小了價(jià)帶間的躍遷，從而使量子阱激光器的閾值電流大為降低，量子效率和振蕩頻率大大提高，并且由于價(jià)帶間躍遷的減小和俄歇復(fù)合的降低而進(jìn)一步改善了溫度特性，實(shí)現(xiàn)了激光器無(wú)致冷工作。

(二). 光纖激光器

光纖激光器是在固體激光器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，也可稱(chēng)它為柔細(xì)的固體激光器。

固體激光器是在晶體中摻雜了激光介質(zhì)，使這些激光介質(zhì)成為整個(gè)晶體的組成部分，用閃光燈光泵來(lái)產(chǎn)生激光。而光纖激光器是將鑭系元素的鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥等以混合物形式摻入柔細(xì)的玻璃光纖芯中作為激光介質(zhì)，用量子激光器光纖輸出的光來(lái)泵浦產(chǎn)生激光。

通常光纖是用來(lái)傳遞光能和光信息的，因此這種光纖由三層結(jié)構(gòu)組成：

1.光纖芯、2.內(nèi)包層、3.保護(hù)層

而光纖激光器的光纖通常由四層結(jié)構(gòu)組成：

1.光纖芯、2.內(nèi)包層、3.外包層、4.保護(hù)層

內(nèi)芯摻雜的是激光介質(zhì)，它也構(gòu)成了光纖激光器的諧振腔。內(nèi)包層是用來(lái)作為泵浦光的傳輸通道。

圖26. 傳輸用的光纖橫截面結(jié)構(gòu)     圖27. 光纖激光器用的光纖橫截面結(jié)構(gòu)

圖28. 雙包層摻雜光纖的原理結(jié)構(gòu)

1. 光纖激光器的橫截面結(jié)構(gòu)

圖29. 光纖橫截面不同的結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)證明并不是同心圓橫截面的結(jié)構(gòu)最好，而是長(zhǎng)方形的橫截面的結(jié)構(gòu)最好。圖30給出這個(gè)結(jié)果。

圖30. 偏心形、D形、圓形、矩形光纖的吸收效率

圖31.雙包層泵浦摻雜光纖激光器                            圖32. 光纖激光器整體原理圖

光纖激光器的泵浦光源是量子激光器，量子激光器的輸出光束可直接耦合進(jìn)入光纖，或量子激光器的輸出光纖與光纖激光器的內(nèi)包層對(duì)接。無(wú)論是傳輸信號(hào)用的光纖還是光纖激光器用的光纖，從光纖芯到內(nèi)包層再到外包層介質(zhì)的折射率是逐一遞減的，因?yàn)槿瓷?，光纖芯中的光不能進(jìn)入內(nèi)包層，而光纖內(nèi)包層的光可進(jìn)入光纖芯，但它不能進(jìn)入外包層。量子激光器輸出的光經(jīng)光纖對(duì)接進(jìn)入光纖激光器的內(nèi)包層后，經(jīng)多次反射，進(jìn)入光纖芯被摻入光纖芯內(nèi)的激光介質(zhì)吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生新的激光。

2. 量子激光器與光纖激光器的泵浦對(duì)接

量子激光器輸出光纖與光纖激光器內(nèi)包層的對(duì)接有端接、側(cè)接多種方案，

如圖33—37所示：

圖33. 光纖端接方案                       圖34. 光纖側(cè)接方案

圖35. 光纖側(cè)接方案                  圖36. 光纖側(cè)接方案

圖37. 又一個(gè)光纖側(cè)接方案

兩光纖對(duì)接主要采用側(cè)接方案，因?yàn)閭?cè)接可以接許多根光纖。

3. 光纖激光器的種類(lèi)

按腔結(jié)構(gòu)：線性腔和環(huán)形腔

按運(yùn)行方式：連續(xù)和脈沖

按摻稀土離子：

鉺（Er3+）、釹（Nd3+）、銩（Tm3+）、 鈥（Ho3+）、鐿（Yb3+）

鏑（Dy3+）、鐠（Pr3+）、釤（Sm3+）、镥（Lu）等

4. 光纖激光功率合束器

光纖激光功率合束器是將多根輸出功率較小的光纖聚合到一根輸出功率更大的光纖中的連接體。如圖38、39、40 所示：

圖38.光纖功率合束器                                           圖39. 光纖功率合束器

圖40. 一種光纖功率合束器   ( 耦合效率 > 98 % )

二.  量子激光器發(fā)展的狀況和應(yīng)用

我們階段性地概括量子激光器發(fā)展的狀況和應(yīng)用。以1970年為界，自超晶格的概念提出并在實(shí)驗(yàn)上獲得成功，人們的視線開(kāi)始關(guān)注量子激光器。

1.  1962年美國(guó)GaAs同質(zhì)半導(dǎo)體激光出光，液氮下脈沖方式。

2.  1967年液相外延單異質(zhì)半導(dǎo)體激光出光，室溫脈沖。

3.  1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室雙異質(zhì)結(jié)出光，室溫連續(xù)工作。

4.  1968年貝爾的江崎和朱肇祥提出超晶格結(jié)構(gòu)，1970年實(shí)現(xiàn)。

5.  1977年提出，1979年實(shí)現(xiàn)了垂直腔面發(fā)射激光器。

6.  1978年開(kāi)始研究量子阱激光器（已從可見(jiàn)光到中紅外）。

7.  1986年第一臺(tái)量子線（用于CD機(jī)電流的十萬(wàn)分之一）。

8.  1986年Asada的10nm量子點(diǎn)InGaAs，增益達(dá)104 / cm。

9.  1991年InGaP/InGaAlP紅光634nm ，600mw應(yīng)變量子阱出光 。

10.  1994年可調(diào)諧的量子級(jí)聯(lián)激光器出光（15—1000μm）。

11.  1994年首次報(bào)道用MOCVD法自組織1.3μm波長(zhǎng)的InGaAs/GaAs量子點(diǎn)激光器 。

12.  1997年GaN、AlN、InN、InGaN，405.8nm藍(lán)綠多量子阱出光。

我們?cè)賮?lái)看量子點(diǎn)激光器的發(fā)展?fàn)顩r。

1.   1986年Asada的InGaAs量子點(diǎn)材料，增益達(dá)到 104 / cm。

2.   1994年Ledentsov的InGaAs量子點(diǎn)的光泵浦激射現(xiàn)象。

3.   1999年，100μm條寬，在室溫下連續(xù)輸出功率可達(dá) 3.5W-4W，效率達(dá)到95％。

4.   2000年氧化物限制量子點(diǎn)，波長(zhǎng)1.3μm，閾值19A/cm2。

5.   2000年在InGaAs量子點(diǎn)77K低溫下觀察到16μm的激射。

6.   2004年?yáng)|京大學(xué)在1.3μm，20℃-70℃間不用調(diào)整電流 就能穩(wěn)定的發(fā)送出10Gb/s的光信息。

7.   2005年中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所成功制備了激射波長(zhǎng) 1.33μm，可在室溫連續(xù)工作的GaAs基InAs自組織量子 點(diǎn)邊發(fā)射激光器 。

8.   2012年臺(tái)灣國(guó)立交通大學(xué)利用InAs/InGaAs/GaAs量子點(diǎn) 獲得可調(diào)諧范圍達(dá)  130nm  ( 1160-l29Onm)  和 150nm  ( 1143-1293nm )  的可調(diào)諧量子點(diǎn)激光。

9.   2015年日本東北大學(xué)器件的中心波長(zhǎng)為1230nm，圍繞該中心具有44nm調(diào)諧寬帶。用于波分復(fù)用（WDM）， 因?yàn)樵?530–1565nm的傳統(tǒng)波段（C波段）的頻率通道已人滿為患，然而，更多的未被利用的頻率資源則埋藏在如1000-1260nm的（T波段）和1260-1350nm的 原始波段（O波段）。

10.    2015年歐盟節(jié)能硅發(fā)射器使用III-V族半導(dǎo)體量子點(diǎn)， 要開(kāi)發(fā)一個(gè)總?cè)萘?400Gbps 發(fā)射機(jī)。

我們?yōu)槭裁催@么關(guān)注量子激光器呢？主要是它具有許多其它激光器無(wú)法具備的優(yōu)點(diǎn)。

1. 量子激光器的優(yōu)點(diǎn)：

1).  體積小、重量輕 、無(wú)需制冷（芝麻粒大小的單管激光器可輸出近瓦級(jí)功率）

2).  有利于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換效率高（70—90%）

3).  結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（P-N結(jié)或單結(jié)結(jié)構(gòu)）

4).  安全可靠 （電壓只有幾伏或幾十伏，電流幾百毫安）

5).  即用即啟，只需供電和指令（無(wú)需預(yù)熱等準(zhǔn)備工作）

6).  維護(hù)簡(jiǎn)便，沒(méi)有易耗品

7).  壽命長(zhǎng)（10萬(wàn)小時(shí)）（晶體、封接牢靠）

8).  易集成，易與芯片和光纖激光器對(duì)接

激光器要具備全部這些優(yōu)點(diǎn)是很難得的，因此，它可以獨(dú)立使用或用作光纖激光器的泵浦源做成高功率、高能量、高重復(fù)率、多用途的量子-光纖激光器，它是星載激光武器的最佳選擇。

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廣泛用于大功率光纖激光泵浦源、激光手術(shù)刀、 材料加工和防偽檢測(cè)等領(lǐng)域。

2).  1.1 —1.55μm和可見(jiàn)光的單模量子點(diǎn)激光器在大容量光纖通信，高速光計(jì)算、光互聯(lián)和信息處理等許多方面都有極其重要的應(yīng)用前景。

3）.  2—12μm 用于檢測(cè)毒品、爆炸物、藥品、有機(jī)分子等。

4）.  12—1000μm 主要用于空間或鉆地探測(cè)、雷達(dá)、跟蹤、制導(dǎo)、同位素分離等。

美國(guó)西北大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將非對(duì)稱(chēng)取樣光柵分布式反饋激光器與光放大器結(jié)合，研發(fā)出了發(fā)射波長(zhǎng)為2—11微米的單?？烧{(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL），用于檢測(cè)各種化學(xué)品。 Al0.63In0.37As/Ga0.37In0.63As/Ga0.47In0.53As .實(shí)現(xiàn)了同一個(gè)設(shè)計(jì)模塊能改變波長(zhǎng)的目的，單模光譜調(diào)諧范圍達(dá)300納米。

圖41. 美國(guó)西北大學(xué)的可調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器

表1. 美國(guó)西北大學(xué)量子級(jí)聯(lián)激光器2014年的參數(shù)指標(biāo)

量子阱激光器的波長(zhǎng)主要由本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和階帶之間的禁帶(又稱(chēng)帶隙)寬度來(lái)決定的，例如GaAs的禁帶寬度為1.42eV，以GaAs為襯底的激光器的波長(zhǎng)在635nm—950nm之間，由添加不同的雜質(zhì)和濃度決定；InP的禁帶寬度為1.28eV，以InP為襯底的激光器的波長(zhǎng)在950nm—1550nm之間，也由添加不同的雜質(zhì)和濃度決定。我們來(lái)看幾個(gè)不同量子激光器的波長(zhǎng)、功率和用途：

表2. 幾種不同的量子激光器的波長(zhǎng)、功率和用途

三. 光纖激光器的發(fā)展?fàn)顩r和應(yīng)用

1.   1964 世界上第一個(gè)玻璃激光為釹玻璃光纖激光。

2.   1993 長(zhǎng)方形內(nèi)包層光纖激光器。效率50％，功率5W。

3.   1999 用4只45W半導(dǎo)體激光泵浦摻鐿雙包層光纖，實(shí)現(xiàn)。  110W、波長(zhǎng)1120nm的激光輸出。

4.   2003年2月Southampton Photonics, Inc.（SPI） 宣布摻Y(jié)b光纖實(shí)現(xiàn)了270 W（1080nm）單模激光輸出。

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

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

7.   2018年深圳創(chuàng)鑫公司MOPA光纖激光器達(dá)20KW，平均功率100瓦。

光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域包括：

1. 通訊領(lǐng)域

摻鉺的1.3μm、1.55μm正是窗口，光孤子通信，空間通信

2. 工業(yè)加工領(lǐng)域

摻鐿的1060—1200nm，切割、焊接、表面處理及微加工

3. 軍事領(lǐng)域

雷達(dá)、跟蹤、制導(dǎo)、艦載、機(jī)載、車(chē)載、星載激光武器

4.  醫(yī)療領(lǐng)域

外科手術(shù)，微創(chuàng)內(nèi)科治療，摻銩的1940nm眼科治療等

鈥激光的泌尿科碎石，腫瘤、前列腺手術(shù)。

表3. 幾種光纖激光器的波長(zhǎng)、功率和用途

圖42. 脈沖調(diào)Q光纖激光器                                        圖43. 光纖放大器

脈沖調(diào)Q光纖激光器和光纖放大器可用于光纖通信等領(lǐng)域。

下面簡(jiǎn)單介紹一下光子晶體光纖激光器（PCFL）。光子晶體光纖激光器具有可以靈活設(shè)計(jì)的模場(chǎng)特性，能改變傳導(dǎo)模式和有源介質(zhì)之間的相互作用，可以制造適用于不同要求的激光器。

1. 光子晶體（Photonic crystal）

光子晶體是指具有光子帶隙（Photonic Band-Gap，簡(jiǎn)稱(chēng)為PBG）特性的人造周期性電介質(zhì)微結(jié)構(gòu)。有時(shí)也稱(chēng)為PBG光子晶體結(jié)構(gòu)。所謂的光子帶隙是指某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播，即這種結(jié)構(gòu)本身存在“禁帶”。

能帶與能帶之間出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進(jìn)入該晶體。通過(guò)引入缺陷破壞光子晶體的周期結(jié)構(gòu)特性，那么在光子帶隙中將形成相應(yīng)的缺陷能級(jí)。 如果沿著一定的路線引入缺陷，那么就可以形成一條光的通路，只有沿著“光子導(dǎo)線”（即缺陷條紋）傳播的光子得以順利傳播，其它任何試圖脫離導(dǎo)線的光子都將被完全禁止。

利用光子晶體帶隙我們可以控制光。圖44給出了三個(gè)光子晶體的樣本：

圖44. 三個(gè)光子晶體的樣本

光子晶體分為兩類(lèi)：

1. 折射率導(dǎo)光型（IG-PCF），1996年做出。

2. 帶隙引導(dǎo)型（PCF），1998年做出。

圖45展示了一種光子晶體光纖的橫截面蜘蛛網(wǎng)式的結(jié)構(gòu)，外圓是硅玻璃，黑色六邊形是空氣管道，中心對(duì)邊距為 8.1 μm，兩小網(wǎng)心矩為3.2 μm。通常利用堆管技術(shù)制作預(yù)制棒，然后在恒溫、恒壓條件下拉制而成。

圖45. 一種光子晶體光纖的橫截面結(jié)構(gòu)

圖46. 光子晶體的帶隙(黃色帶區(qū))                                圖47. 光子帶隙與穿透率

圖48. 光子晶體光纖中的模場(chǎng)分布

圖46和圖47展示了光子晶體帶隙和穿透率，圖48展示了光子晶體光纖中的模場(chǎng)分布。

2. 光子晶體光纖激光器的特點(diǎn)：

1）  光子晶體光纖具有可以靈活設(shè)計(jì)的模場(chǎng)特性 。

2）  能改變傳導(dǎo)模式和有源介質(zhì)之間的相互作用 。

3）  可以制造適用于不同要求的激光器 。

4）  小模式面積低閾值，大模式面積獲高功率 。

5）  高折射率差、高數(shù)值孔徑獲高泵浦效率 。

3. 光子晶體光纖激光器的發(fā)展?fàn)顩r：

1）  2001 年，英國(guó)南安普頓大學(xué)首臺(tái)摻鐿單模、大模場(chǎng)光子晶體光纖激光器，為高功率、高光束質(zhì)量指明方向。

2)   2003 年德國(guó) Jena 大學(xué)PCFL功率達(dá) 1.2 KW 。

3)   2006年P(guān)CF纖芯直徑為 60μm、長(zhǎng) 0.58m，泵浦功率425W，實(shí)驗(yàn)獲 320W 的連續(xù)單橫模激光輸出，效率78%。

4)   國(guó)內(nèi)從2004—2009年深圳大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、河北大學(xué)、西安光機(jī)所等也開(kāi)展了中、小功率PCFL的研究。

4. 光子晶體的用途：

1）  光子晶體波導(dǎo)

2）  光子晶體光纖：類(lèi)似于單模光纖

3）  光子晶體超棱鏡（普通棱鏡體積的1%，δ強(qiáng)100—1000倍）

4）  光子晶體超反射鏡

5）  抑制自發(fā)輻射

6）  光子的局域化，光子-能量存貯器

7）  二維光子晶體微腔

8）  時(shí)間色散—慢光效應(yīng)等

9）  空間色散—負(fù)折射、超棱鏡、超透鏡

在光子晶體的用途中，值得關(guān)注的是光子晶體超棱鏡、全方位超反射鏡和光子的局域化。光子晶體超棱鏡的體積只有常規(guī)棱鏡的1%左右，但其色散能力比常規(guī)棱鏡強(qiáng)100—1000倍。對(duì)波長(zhǎng)為1.0μm和0.9μm的兩束光，常規(guī)棱鏡無(wú)法將它們分開(kāi)，但光子晶體超棱鏡可將它們分開(kāi)到60°左右。該特性在光通信和信息處理中具有重要的意義。其他應(yīng)用還包括參量放大與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、光開(kāi)關(guān)、傳感器、方向耦合器等。

圖49. 光子晶體中缺陷

圖49. 示出了光子晶體中的缺陷，光只能在有缺陷的區(qū)域無(wú)損耗傳播。

5. 激光高能量高功率的原理

在量子理論中，電子是費(fèi)米子，多粒子體系的電子波函數(shù)是反對(duì)稱(chēng)波函數(shù)，任意交換兩個(gè)電子，波函數(shù)就改變一個(gè)符號(hào)，即由正號(hào)變?yōu)樨?fù)號(hào)，或由負(fù)號(hào)變?yōu)檎?hào)，因此一個(gè)電子態(tài)只允許占據(jù)一個(gè)電子。而光子是玻色子，多粒子體系的光子波函數(shù)是對(duì)稱(chēng)波函數(shù)，任意交換兩個(gè)光子，波函數(shù)保持不變，因此一個(gè)光子態(tài)可以占據(jù)無(wú)數(shù)個(gè)光子。何為一個(gè)光子態(tài)？在x、y、z、Px、Py、Pz六維相格空間中，處于h3小體積元內(nèi)的光子是不可區(qū)分的，我們稱(chēng)它為一個(gè)光子態(tài)。

 （4）

h3～2.9 x 10-79 爾格3·秒3    (5)

同一光子態(tài)的光子數(shù)稱(chēng)為光子簡(jiǎn)并度，由于上述原理，簡(jiǎn)并度原則上沒(méi)有限制，激光的簡(jiǎn)并度可以做得非常高，因此可以產(chǎn)生高能量、高功率的激光輸出。激光武器正是基于這個(gè)原理。

美國(guó)海軍LaWS艦載光纖激光武器                                美軍研制的路基“雅典娜”光纖激光武器系統(tǒng)

圖50. 美國(guó)的光纖激光武器系統(tǒng)

有報(bào)道稱(chēng)美國(guó)海軍LaWS艦載光纖激光武器2011年7月19日成功擊落四架無(wú)人機(jī)。洛克希德-馬丁公司為美軍研制的路基“雅典娜”光纖激光武器系統(tǒng)，2017年8月在新墨西哥州的白沙瓦導(dǎo)彈靶場(chǎng)一次擊落五架“放逐者”無(wú)人機(jī)，所用的激光功率據(jù)說(shuō)是30千瓦。

四. 我國(guó)量子-光纖激光器發(fā)展概況

我國(guó)的一些研究院、所和高等院校緊跟國(guó)際科技發(fā)展前沿，在國(guó)家中、長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃、973計(jì)劃、863計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的指引和資助下，在量子激光器和光纖激光器的研究中都取得了可喜的成果，有的還超過(guò)了國(guó)際的先進(jìn)水平。

1. 0.8—1.0μm波段高功率應(yīng)變量子阱激光器

2000年就報(bào)道了：發(fā)射波長(zhǎng)在0.8—1.0μm波段的激光器采用InAlGaAs材料作為量子阱發(fā)光區(qū)，量子阱壘層通常采用GaAs，AlGaAs或InGaAsP材料，波導(dǎo)層材料通常為AlGaAs，InGaP或GaAsP。 對(duì)InGaAs/GaAs，InGaAs/AlInGaAs，InGaAs/InGaAsP和AlGaAs/AlInGaAs應(yīng)變量子阱生長(zhǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化。 可研制出高性能、高功率的808nm、850nm、915nm、940nm、980nm的應(yīng)變量子阱激光器。現(xiàn)在連續(xù)波功率已達(dá)千瓦級(jí)，作為光纖激光器的泵浦源。

長(zhǎng)春光機(jī)所的808nm百瓦級(jí)連續(xù)波無(wú)鋁量子阱疊陣激光器達(dá)217瓦。

2. 我國(guó)半導(dǎo)體激光器發(fā)展歷程

1)   1963年長(zhǎng)光所和半導(dǎo)體所研制出GaAs半導(dǎo)體激光。

2)   1970年上光所和半導(dǎo)體所研制出單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光。

3)   1976年上光所研制出室溫下雙異質(zhì)結(jié)連續(xù)半導(dǎo)體激光。

4)   1981年半導(dǎo)體所研制出室溫連續(xù)波1.3μm半導(dǎo)體激光。

5)   1993年半導(dǎo)體所研制出GaInAs垂直腔面發(fā)射激光器。

6)   1999年120mW大功率半導(dǎo)體激光器壽命超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)。

3. 我國(guó)量子阱激光器的發(fā)展概況

1)   中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所InAs/InP量子阱2.0—2.5μm可調(diào)， 室溫 CW 25mW，脈沖  110mW。（2014年）

2)   中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)所2.7μm，  InP基不含碲的 InAs 多量子阱激光器。

3)   中科院半導(dǎo)體所研制出InGaSb/AlGaAsSb應(yīng)變量子阱激光器。波長(zhǎng)1.995μm，激射譜半高寬0.35nm。室溫連續(xù)功率達(dá)到82.2mW，至80℃時(shí)CW功率達(dá)63.7mW。

4)   半導(dǎo)體所牛智川研制成功   2μm波段InGaSb／AlGaAsSb應(yīng)變量子阱大功率激光器，單管器件室溫連續(xù)輸出功率達(dá)到1.62瓦、巴條組件的室溫連續(xù)功率16瓦。

5)   上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)所鎵砷鉍（GaAsBi）量子阱，1.142μm，脈沖功率達(dá)  127 mW。

銻化物量子阱激光器研究獲得重要進(jìn)展，近年來(lái)，中科院半導(dǎo)體所牛智川研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)家973科研計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，創(chuàng)新設(shè)計(jì)金屬光柵側(cè)向耦合分布反饋（LC－DFB）結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了2μm波段高性能單模激光器，邊模抑制比達(dá)到53dB是目前同類(lèi)器件的最高值，同時(shí)輸出功率達(dá)到40mW是目前同類(lèi)器件的3倍以上。 “該單模激光器開(kāi)創(chuàng)性提升邊模抑制比，為天基衛(wèi)星載LIDAR系統(tǒng)和氣體檢測(cè)系統(tǒng)提供了有競(jìng)爭(zhēng)力的光源器件”。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用數(shù)字合金法生長(zhǎng)波導(dǎo)層等關(guān)鍵技術(shù)，研制成功2μm波段的InGaSb／AlGaAsSb應(yīng)變量子阱大功率激光器，其單管器件的室溫連續(xù)輸出功率達(dá)到1.62瓦、巴條（線陣）激光器組件的室溫連續(xù)輸出功率16瓦，綜合性能達(dá)到國(guó)際一流水平并突破國(guó)外高功率半導(dǎo)體激光器出口限制規(guī)定的性能條款。

GaSb基InGaAsSb晶格匹配異質(zhì)結(jié)量子阱的能帶帶隙可調(diào)范圍覆蓋了1.8μm～4.0μm的短波紅外區(qū)域。上述銻化物半導(dǎo)體激光器研究成果突破了短波紅外激光器技術(shù)領(lǐng)域長(zhǎng)期卡脖子核心技術(shù)，將在危險(xiǎn)氣體檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療與激光加工等諸多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)揮重要作用。

此外，半導(dǎo)體所還研制了應(yīng)變補(bǔ)償量子級(jí)聯(lián)激光器：

1）  波長(zhǎng)7.8μm，It = 80 mA，InGaAs / InAlAs 。

2）  波長(zhǎng)5.49μm，以InP為基，84K時(shí)達(dá)660mW，室溫46mW。

3）  波長(zhǎng)9.1μm，以GaAs為基，81K時(shí)CW功率350 mW， GaAs / AlGaAs 。

4）  波長(zhǎng)2μm，（InGaSb/ AlGaAsSb）T = 80℃，CW 63.7mW量子阱室溫  82.2mW，帶寬 35nm。

標(biāo)志著我國(guó)紅外量子級(jí)聯(lián)激光器研究進(jìn)入世界前列。

圖51. 半導(dǎo)體所量子級(jí)聯(lián)激光器的特性曲線

半導(dǎo)體所研制的激光器激光波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)2.0-2.5μm范圍可控調(diào)節(jié)。制備的2.0μm窄條激光器（6μm×1.5mm）實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)激射，閾值電流45mA，單面出光功率大于25mW。制備的2.1μm寬條激光器（250μm×2mm）在脈沖注入下，出光功率超過(guò)110mW，閾值電流750mA，對(duì)應(yīng)閾值電流密度低至150A/cm2，為目前已報(bào)道該體系半導(dǎo)體激光器的國(guó)際先進(jìn)水平。

2019年最新進(jìn)展：中紅外2-3.5μm波段激光器在氣體檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、激光制導(dǎo)、紅外對(duì)抗、激光雷達(dá)等諸多領(lǐng)域有著十分廣泛而重要的應(yīng)用，工作電流450mA時(shí)激射波長(zhǎng)1.995μm，激射譜半高寬0.35nm。室溫連續(xù)工作下出光功率達(dá)到82.2mW。進(jìn)一步提高工作溫度至80℃時(shí)激光器仍可以連續(xù)工作，出光功率達(dá)到63.7mW，是目前已有報(bào)道的最好結(jié)果。

中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研制的量子激光器有：

1）  2.7微米，InP基不含銻量子阱激光器在InP襯底上構(gòu)筑不含銻的InAs多量子阱結(jié)構(gòu)，

2）  1.142μm，GaAsBi  鎵砷鉍量子阱室溫脈沖功率  127mW。（得到973和國(guó)家基金支持）

圖52. 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)所GaAsBi激光器室溫激射譜和結(jié)構(gòu)示意圖

4. 我國(guó)量子點(diǎn)激光器研究成果

（一）研制成功In(Ga)As/GaAs、InAlAs/AlGaAs/GaAs和 InAs/InAlAs/InP等一系列高質(zhì)量的自組織量子點(diǎn)和量子線材料

（二）研制成功當(dāng)時(shí)國(guó)際領(lǐng)先水平的大功率量子點(diǎn)激光材料和器件

(1) 優(yōu)化設(shè)計(jì)使～980nm量子點(diǎn)激光器達(dá)國(guó)際水平；

(2) 創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了InAs/InGaAs/GaAs三層垂直耦合量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高了量子點(diǎn)的發(fā)光效率；

(3) 首次采用退火來(lái)精確控制量子點(diǎn)激光器的輸出波長(zhǎng)，提高了成品率；

(4) 所研制的大功率量子點(diǎn)激光器室溫連續(xù)波最大輸出功率3.618W，10W的量子點(diǎn)激光器光纖耦合模塊。

（三） 研制成功當(dāng)時(shí)國(guó)際最好水平的InAlAs/AlGaAs紅光量子點(diǎn)激光器

（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)條件，研制出多層耦合結(jié)構(gòu)；

（2）低溫下還獲得波長(zhǎng)750nm和707nm的輸出；

（四） InAs/InAlAs/InP斜對(duì)準(zhǔn)量子線超晶格研究獲得突破

（五）提出了耦合InAs量子點(diǎn)中載流子有效弛豫和激子熱發(fā)射的新模型

（六）論文發(fā)表、被收錄及引用

研究人員繼續(xù)獲得國(guó)家973、863、自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目的支

持，正開(kāi)展更深入、廣泛的研究工作，為取得更加豐富的成果。

圖53. 半導(dǎo)體所的可調(diào)諧外腔量子點(diǎn)激光譜線

2009年半導(dǎo)體所 InAs/GaAs自組織量子點(diǎn)增益器件  (1141.6 nm到  1251.7 nm)，該激光器采用 InAs/GaAs自組織量子點(diǎn)增益器件(腔面未鍍膜)、光柵反饋Littrow外腔構(gòu)型?？捎糜诓ǚ謴?fù)用光纖通信、高分辨率光譜分析、計(jì)量檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

5. 我國(guó)光纖激光器發(fā)展概況

1)   2002年南開(kāi)大學(xué)摻鐿雙包層自調(diào)Q和混合調(diào)Q脈沖8KW，脈寬2ns。

2)   2003年南開(kāi)大學(xué)用100KW調(diào)Q，得到范圍  60nm 可調(diào)諧脈沖。

3)   2003年11月上海光機(jī)所摻鐿雙包層得到輸出功率 107 瓦。

4)   2004年南開(kāi)大學(xué)連續(xù)泵浦得到206KW調(diào)Q脈沖激光。

5)   2004年12月上海光機(jī)所摻鐿雙包層得到輸出功率達(dá) 440 瓦。

6)   2005年西安光機(jī)所研制的光子晶體光纖激光器功率達(dá)98瓦。

7)   2007年趙衛(wèi)等報(bào)道了被動(dòng)鎖模摻鐿 8 字型腔光纖激光器。 整體水平與國(guó)外有一定差距，但落后時(shí)間不長(zhǎng)。

8)   2008年西安光機(jī)所 CW 95.8 瓦，耦合效率  90.2 % ..

9)   2012年，國(guó)內(nèi)首臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的1000W工業(yè)級(jí)光 纖激光器在西安誕生。

10)    2012年11月，華工科技旗下華工激光與銳科公司共同研制的4千瓦光纖激光器，通過(guò)了省級(jí)科技成果鑒定。鑒定專(zhuān)家組主任委員、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)周炳琨院士指出，這項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，獲得4項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。

6. 我國(guó)的量子-光纖激光器企業(yè)

1)   海特光電（1999年8月成立）

2)   山東華光光電（1999.11.）（1KW、6KW、10KW）

3)   西安華科光電（2002.9.）

4)   北京凱普林光電（2003.3.）915nm，（3000瓦）

5)   西安歐益光電（2006.10.）

6)   北京吉泰基業(yè)（2007.6.）

7)    西安炬光科技（2009.9.）等

8)    華工科技（王肇中）投資6000萬(wàn)元（4000瓦）

9)    長(zhǎng)光華芯   915nm，（1500瓦）

10)    大族激光

11)    銳科激光   915nm，（4000瓦）

12)    創(chuàng)鑫激光   915nm， （3000瓦）

圖54.

深圳一家公司利用全無(wú)銦金錫焊料封裝工藝技術(shù)，用于泵浦固體和光纖激光器，通常工作在100μs-300μs的脈沖寬度范圍內(nèi)。結(jié)心溫度由55度C降到35度C。GS04-5型（5個(gè)巴條）在QCW（QCW quasi-continuous  wave準(zhǔn)連續(xù)波）下通常運(yùn)行指標(biāo)：1500瓦、200μs、20 Hz。波長(zhǎng) ：803.54 nm。

圖55. 2.5克傳導(dǎo)冷卻疊陣激光器的特性曲線和壽命、環(huán)境試驗(yàn)

7. 正待開(kāi)展的研究?jī)?nèi)容

一.  器件研制

1.  量子級(jí)聯(lián)激光器

1）15—1000μm波長(zhǎng)的連續(xù)可調(diào)拓展

2）功率和效率的提升

2.  量子阱、量子點(diǎn)激光器 、光子晶體

1）可見(jiàn)光、紅外、紫外波段拓展

2）功率和效率的提升和光子存儲(chǔ)

二.  應(yīng)用研究

1.  直接應(yīng)用：

2.  雷達(dá)、跟蹤、制導(dǎo)

3.  工業(yè)加工、激光生物、醫(yī)療、激光武器

三.  理論研究

1.  光子-能量存儲(chǔ)器的光子晶體理論研究

由于本人知識(shí)水平和所收集資料有限，上述內(nèi)容有不妥之處，希予指正。

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【討論與交流】

宋家駿：謝謝單煥炎研究員做了內(nèi)容很豐富的報(bào)告。這些東西我們國(guó)家是有，但是我們所尚沒(méi)有做，單老師只是傳遞給了我們一些資料和信息，下面就請(qǐng)大家發(fā)表自己的看法

王庚辰：我們不做激光器，但是用激光器，大概是1962年就開(kāi)始了，主要是和人家協(xié)作，在地面用,也在衛(wèi)星上用，所以我們遇到了很大的問(wèn)題，限制了我們很多地方的應(yīng)用。對(duì)量子光纖激光器，從使用的角度我們非常感興趣，應(yīng)用的范圍很寬，但主要集中在1-15微米范圍。這個(gè)量子激光器應(yīng)該是哪一種？是單模的還是多模的？另外就是譜線的寬度應(yīng)該是越窄越好，10納米對(duì)我們來(lái)說(shuō)是有點(diǎn)寬了，例如,二氧化碳的譜線旁邊有很多其它氣體的吸收，要是譜線本身很寬的話其它的干擾譜線就不易排除，所以我們希望譜線越窄越好。輸出的譜線最窄能夠達(dá)到多少？能不能做到比10納米更窄？10微米范圍以?xún)?nèi)是不是能夠找到可用的量子光纖激光器？最高重復(fù)頻率可以達(dá)到多少？

單煥炎：量子激光器體積很小，能夠用于不同的探測(cè)，包括雷達(dá)或者大氣探測(cè)，安徽光機(jī)所已經(jīng)做了，甚至已經(jīng)在南極站用上了，就像氣象觀測(cè)站一樣，可測(cè)量大氣的成分，你可以提要什么波長(zhǎng)，要什么參數(shù)指標(biāo)，向一些企業(yè)提出要求，因?yàn)楝F(xiàn)在并不是什么指標(biāo)都能達(dá)到，原來(lái)我們用的紅光量子激光器，我向企業(yè)提出要多大功率、什么波長(zhǎng)、參數(shù)等，企業(yè)會(huì)根據(jù)你的要求將芯片封裝好，只要把你的信號(hào)輸入進(jìn)去激光就出來(lái)了。

現(xiàn)在企業(yè)就是這么服務(wù)到家，有些企業(yè)就是這樣，不能說(shuō)每一個(gè)波長(zhǎng)都能做到，比如15-1000微米，理論上可以調(diào)諧，但是到現(xiàn)在為止還不能在整個(gè)波段連續(xù)可調(diào)，只能分段可調(diào),在幾個(gè)波段范圍，波長(zhǎng)可以調(diào)諧了，功率能不能達(dá)到你的要求，你要的調(diào)制頻率和帶寬，符不符合你的要求，不提出來(lái)的話不知道你要什么，現(xiàn)在能做到什么程度，能夠用到藥品等檢測(cè)上。一些公司不知道用戶需要什么樣的參數(shù)指標(biāo)，你們要的帶寬是多少，波長(zhǎng)和重復(fù)率是多少等，不見(jiàn)得都可以滿足，但是企業(yè)可以按照你的要求，能夠做到的會(huì)盡量做到。

何遠(yuǎn)光：剛才你講了量子激光器和光纖激光器，最后是講量子和光纖兩種激光器組合在一起，量子和光纖組合以后的發(fā)展趨勢(shì)是什么？目前的難點(diǎn)在什么地方？我們應(yīng)該往哪個(gè)方向發(fā)展？我們想聽(tīng)一聽(tīng)這個(gè)學(xué)科的發(fā)展怎么樣，有沒(méi)有什么需要解決的前沿科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，對(duì)科研來(lái)講應(yīng)該做什么樣的科研布局，希望聽(tīng)一聽(tīng)這方面的意見(jiàn)。

單煥炎：量子激光器單個(gè)量子點(diǎn)可以達(dá)到1瓦左右，很多同事可能看不上，但是做成把(Bar)以后就可以做到幾瓦，十幾瓦甚至幾十瓦。而且是從光纖輸出來(lái)的，可以達(dá)到幾十瓦甚至上百瓦的功率，輸出到光纖激光器的內(nèi)包層里面，從量子激光器出來(lái)的每一根光纖的功率都不太高，就是幾十瓦甚至幾百瓦，但是有幾十根光纖往光纖激光器的內(nèi)包層里面輸入，就可以獲得更高功率、單模和不同波長(zhǎng)的光纖激光輸出。因?yàn)楣饫w芯里面的激活介質(zhì)不同輸出的波長(zhǎng)就不一樣，可以不斷地把這個(gè)功率放大，而且是單模輸出，光纖激光器就可以做到幾千瓦甚至幾十千瓦，用于加工和醫(yī)療各個(gè)方面，甚至可以做成星載激光武器。光纖激光器的功率可以做得非常高，這種武器可以放在衛(wèi)星上面，專(zhuān)門(mén)對(duì)付導(dǎo)彈、衛(wèi)星，剛發(fā)射出來(lái)的導(dǎo)彈我們就可以對(duì)付，要是導(dǎo)彈飛到我的國(guó)土上再對(duì)付的話就已經(jīng)晚了。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)可以改變，參數(shù)也可以改變，可以替代現(xiàn)在傳統(tǒng)的氣體激光器和固體激光器的用途，因?yàn)楸容^簡(jiǎn)單、輕便、耐用。

鈕得祿：目前點(diǎn)量子激光噐最大輸出可做到120W，幾千個(gè)點(diǎn)激光器集成起來(lái)就不得了。研制這種高功率激光武器有二大難點(diǎn)，一個(gè)是材料，我國(guó)研制的激光武器材料是硼鈹鉀（KBBF），我們都未聽(tīng)到過(guò)，另一個(gè)難點(diǎn)是微納米光刻技術(shù)。國(guó)外光刻機(jī)已做到7納米，現(xiàn)在我國(guó)納米光刻機(jī)已做到25納米。點(diǎn)量子激光噐還可以做成高功率焊接機(jī)。像飛機(jī)上的高速發(fā)動(dòng)機(jī)，許多材料都是用的高溫材料，大都是利用激光焊接的。像我們研制的柵控高功率速調(diào)管，耐高溫的柵極材料就是利用3維激光頭加工的。以前我們都不知道。量子激光器也可以做的很小，應(yīng)用在生物學(xué)中，所用的集成先可在血管中運(yùn)動(dòng)。點(diǎn)量子激光器己成功的應(yīng)用在白動(dòng)駕駛汽車(chē)中。它的應(yīng)用可以說(shuō)非常廣泛。

王玉富：我是半導(dǎo)體所的，很高興參加這次沙龍。我們所現(xiàn)在是十三個(gè)室級(jí)單位，七個(gè)是光電子學(xué)，這個(gè)學(xué)科是我們所的重點(diǎn)方向之一。11月22日我們也要辦沙龍，其中有一個(gè)報(bào)告就是量子級(jí)聯(lián)激光器，就是以半導(dǎo)體的微結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行量子功能設(shè)計(jì)，又有級(jí)聯(lián)特征、光電性能的可調(diào)控激光器，我們所在這方面做了大量的研究工作，我們的沙龍將講一講他們?cè)趺醋黾す馄鞯目蒲泄ぷ?，現(xiàn)在發(fā)展到了什么情況？有著什么樣的發(fā)展前景？雖然我本人不是搞這個(gè)專(zhuān)業(yè)的，但是覺(jué)得這是一個(gè)重要的發(fā)展方向，光芯片產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在做得越來(lái)越大，特別是伴隨著5G通訊、數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)年代的到來(lái)，半導(dǎo)體光電子的重要性越來(lái)越大，在整個(gè)數(shù)據(jù)領(lǐng)域當(dāng)中都在慢慢侵蝕原來(lái)的IC領(lǐng)地。因此，這是一個(gè)重要的發(fā)展方向。歡迎大家參加我們22日的沙龍。

李悌興：剛才聽(tīng)了單老師做的精彩報(bào)告，對(duì)于量子激光器、光纖激光器和量子光纖激光器的工作原理、發(fā)展?fàn)顩r和應(yīng)用前景有了比較系統(tǒng)的了解，受益匪淺。近來(lái)我比較感興趣的是激光武器。單老師報(bào)道的美國(guó)人三十千瓦的艦載光纖激光武器已經(jīng)可以打下無(wú)人機(jī)，但那個(gè)無(wú)人機(jī)是在500米以下，500米以上就不行了。據(jù)老單的報(bào)告，目前量子激光器，好像輸出功率、能量都不是很大，不大可能作為激光武器。

孫克忠：我是地質(zhì)地球物理所的研究人員，我們所的研究方向基本上就是地面的石頭和地下的深部構(gòu)造。我聽(tīng)了今天的報(bào)告后，感覺(jué)激光方面的發(fā)展很快，也做了很多儀器。搞這種儀器是相當(dāng)難的。我們單位要搞一個(gè)地震儀，在地面測(cè)量的地震儀好研制，在井下測(cè)量的地震儀，就是在一兩百米地下測(cè)量的地震儀比較難，現(xiàn)在又在搞海底地震儀，其目的就是測(cè)量海底地下的礦藏和石油?，F(xiàn)在回頭來(lái)看我們國(guó)家的儀器的發(fā)展，尤其是自己研制的儀器的發(fā)展，還是非常快的，是我們值得驕傲的。聽(tīng)了今天的學(xué)術(shù)沙龍的主旨報(bào)告，我想問(wèn)激光器最小的功率是多少、最大的功率是多少？比如微創(chuàng)手術(shù)大體需要多大功率？高空飛機(jī)又需有多大功率？要是打飛機(jī)的話，路途的能量衰減率大概是多少？

單煥炎：激光器有不同的用途，對(duì)激光功率的要求是不一樣的，比如激光碎石幾十瓦就足夠了，太大的話會(huì)損傷人體器官，各種激光器的參數(shù)指標(biāo)是不一樣的，比如激光武器要求的能量為107焦?fàn)?、作用時(shí)間是5微秒，光束發(fā)散角是0.5毫弧度，激光武器主要參數(shù)指標(biāo)大概是這么幾個(gè)，這個(gè)能量是很高的。 現(xiàn)在單根光纖能夠做到嗎？做不到的話怎么辦？光纖直徑一般為200μm，每根光纖輸出都是一束單模激光，假如我們做一個(gè)透鏡，這個(gè)透鏡的直徑是1米，200μm的光纖可以捆多少光纖在這里？就用這個(gè)透鏡把大批光纖出來(lái)的光聚焦，正對(duì)著你的目標(biāo)打過(guò)去，每根光纖承受的功率就可以大大下降。氣象探測(cè)的話可能幾瓦就夠了，發(fā)射一個(gè)光束出去接收一個(gè)光子回來(lái)，幾瓦功率就夠了，但是有峰值功率的要求，要看測(cè)多大距離、測(cè)多大范圍，需要根據(jù)你的用途。

有人說(shuō)激光武器很厲害，打到3000公里，每平方厘米35000焦耳，不管怎么說(shuō)光束都是發(fā)散的，打到3000公里，光束直徑就算1公里吧，算一算這是多少焦耳？我估計(jì)有些虛誇，要做的話也就是看激光核聚變的能量能否做到。

各種用途都要經(jīng)常互相交流，其中包括研究單位之間的交流，還有包括我們和企業(yè)之間的交流。企業(yè)現(xiàn)在可以自己整體設(shè)計(jì)，把控制部分與芯片封裝在一起，這個(gè)芯片只有這么大，但是賣(mài)得貴，單個(gè)量子激光器很小，用光纖耦合輸出，光纖再和光纖聚合起來(lái)，這個(gè)能量就可以變得很大。因?yàn)槊總€(gè)芯片很小、很輕，封裝后很可靠，用途也很廣。

林世昌：我們之所以提出了量子光纖激光器這個(gè)題目，因?yàn)檎J(rèn)為是前沿科技，但我們所還沒(méi)有搞，希望研究一下是否做。單老師通過(guò)調(diào)查大量的文獻(xiàn)資料，也有很多量子力學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，提出一些看法。大家可以互相交流，各抒己見(jiàn)，有不同意見(jiàn)也可以，請(qǐng)大家出謀劃策，提些建議，這樣就可以把建議搞得更扎實(shí)一點(diǎn)。我覺(jué)得，量子激光器、光纖激光器講得比較清楚，二者的結(jié)合講得還不太清楚。半導(dǎo)體所這方面搞得比較多，其它的應(yīng)用包括大氣測(cè)量，有沒(méi)有什么要求和體會(huì)？這樣肯定更加充分一些。

屠乃琪：剛才單老師介紹了量子光纖激光器，這個(gè)領(lǐng)域我是一個(gè)外行，單老師介紹的基本概念、基本理論比較透徹，也在這個(gè)領(lǐng)域增長(zhǎng)了一些新的知識(shí)。我們天文臺(tái)原來(lái)研制人造衛(wèi)星(月球)激光測(cè)距儀，就是利用紅寶石固體激光器打到地球衛(wèi)星上面的角反射器上面,接收回波,探測(cè)距離，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)獲得觀測(cè)站至衛(wèi)星(月球)之間的距離，進(jìn)行地球動(dòng)力學(xué),天體力學(xué)的研究，就是應(yīng)用的激光器。單老師介紹的新型固體量子纖維激光器，也讓我們?cè)鲩L(zhǎng)了新的知識(shí)，原來(lái)固體的是紅寶石激光器，體積非常龐大，儲(chǔ)存設(shè)備也很大，將來(lái)是不是能夠改進(jìn)？再就是量子存儲(chǔ)器是新的課題，因?yàn)榇鎯?chǔ)器有很多，電容存儲(chǔ)器、量子存儲(chǔ)器有待探討。量子激光器在國(guó)防通訊和激光武器方面，我們國(guó)家也做了大量的工作，這方面肯定是有人做的，相信不會(huì)和國(guó)外差得太遠(yuǎn)。現(xiàn)在我們有很多新的東西，就是要看有關(guān)部門(mén)怎么分工合作，我國(guó)搞半導(dǎo)體激光器方面，就有半導(dǎo)體研究所,長(zhǎng)春光機(jī)所、上海光機(jī)所、深圳和山東大學(xué)等等，不知道各方面的分工怎么樣。

王柏懿：的確我是外行，很多方面都不懂。但我們力所也是一個(gè)激光應(yīng)用部門(mén)，原來(lái)我們就是用激光器處理材料表面，增強(qiáng)增韌和表面改性在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。在工業(yè)應(yīng)用中，對(duì)激光設(shè)備有一定要求，我們采用的是YAG激光，設(shè)備的體積已經(jīng)比較小了，但是到工廠里運(yùn)行還是比較費(fèi)勁，要有專(zhuān)門(mén)的操作間需要維護(hù)，所以激光的工業(yè)推廣應(yīng)用需要激光器不斷地改進(jìn)。量子光纖激光器的出現(xiàn)，將會(huì)使得激光器在未來(lái)有更廣的應(yīng)用。

今天我是受了很大的教育，科普了激光器的發(fā)展。如果像王玉富同志所說(shuō)，半導(dǎo)體所的沙龍能夠更進(jìn)一步地介紹他們?cè)谶@方面進(jìn)展的話，那是很好的。剛才單老師講了比較多的量子光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)，但是沒(méi)有講它的缺點(diǎn)，它在應(yīng)用方面到底有哪些限制？一個(gè)新技術(shù)的發(fā)展還會(huì)有很多的問(wèn)題，我覺(jué)得還沒(méi)有聽(tīng)到。

今天知道了電子所原來(lái)有不少研究人員在做激光器，現(xiàn)在不知道電子所還有沒(méi)有人在做激光器的？就是那種最新型的量子光纖激光器（當(dāng)然，半導(dǎo)體所肯定在做）。我們?cè)簝?nèi)有那么多的應(yīng)用激光器的單位，包括大氣所、地質(zhì)所、天文臺(tái)，但是他們需要的是集成后的雷達(dá)裝置。電子所在研制雷達(dá)方面應(yīng)該很厲害，記得你們還有一個(gè)雷達(dá)衛(wèi)星在做。我們科學(xué)院是不是能夠加速這種集成過(guò)程？要是能夠把院內(nèi)各個(gè)方面的力量（例如半導(dǎo)體所、電子所）集成起來(lái)，不僅只是各部門(mén)在研制發(fā)展器件，而是通過(guò)一定的機(jī)制把它們綜合成為大型裝置。我們就可以在科研成果的轉(zhuǎn)化方面加速一些，需求都有了（大氣所，地質(zhì)所，天文臺(tái)等等），再有集成的話，也許創(chuàng)新成果就會(huì)更好一點(diǎn)。

洪延超：激光可以用于大氣探測(cè)，例如測(cè)云底高度。目前，人工增雨是向云中引入一些催化劑，改變?cè)浦薪邓纬蛇^(guò)程，來(lái)增加地面的降水。最近有人做了實(shí)驗(yàn)，說(shuō)聲波可以加速云中粒子的碰并過(guò)程，將來(lái)有條件的話是不是可以用激光做試驗(yàn)？單老師花了很多精力調(diào)研國(guó)內(nèi)外激光器的制作情況以及發(fā)展過(guò)程，自己也有設(shè)想，可以研制一種新的激光器，將來(lái)是不是可以研制出這樣的激光器？輸出的各種參數(shù)相比其它激光器應(yīng)該會(huì)更好一些。單老師因?yàn)榱私饧す忸I(lǐng)域的情況，自己又是做這方面工作的，希望能夠把研制激光器這件事情更具體化一點(diǎn)，哪怕有個(gè)初步的設(shè)計(jì)方案，可以再進(jìn)一步開(kāi)個(gè)專(zhuān)題研討會(huì)，征求一下國(guó)內(nèi)同行專(zhuān)家的意見(jiàn)，提出什么條件下我們可以進(jìn)一步來(lái)做這件事情？只要有這樣的設(shè)想，又是可行的話，政府應(yīng)該是會(huì)支持的。

林世昌：我覺(jué)得這樣很好，單老師也是在電子所老科協(xié)專(zhuān)家建議座談會(huì)上提出來(lái)的，要是能夠把這個(gè)范圍擴(kuò)大，內(nèi)容更加充實(shí)就更好，有的單位已經(jīng)搞了光纖激光器和量子激光器。以前我們搞沙龍都是講我們所前沿的學(xué)科，特別是遙感、傳感噐、激光等等，但是以前我們只是反映情況和討論交流，要是有可能的話這次沙龍可以搞些建議出來(lái)。

洪延超：我們可以向北京科協(xié)申請(qǐng)高端論壇，就是量子光纖激光器方面的論壇。

單煥炎：光纖激光器有沒(méi)有什么問(wèn)題？現(xiàn)在也不能說(shuō)一點(diǎn)問(wèn)題都沒(méi)有，從量子激光器耦合到光纖激光器問(wèn)題不太大，但是要把光纖和光纖之間相互組合，現(xiàn)在有的已經(jīng)做得很好，我們自己是不是能夠做到？這是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，人家做到耦合效率百分之九十八，光纖本身很細(xì)，一般都是在一百微米到二百微米左右，要是把很多根光纖的光束耦合到一根光纖里，這是一個(gè)工藝的問(wèn)題，但是現(xiàn)在這些問(wèn)題看來(lái)是可以解決的。

王庚辰：歷史上看，很多國(guó)家研究激光武器都失敗了，因?yàn)榘l(fā)出的激光在大氣當(dāng)中運(yùn)行，別說(shuō)一千公里、三千公里，有的傳輸甚至上百公里就完了，比如霧霾天氣傳輸距離就會(huì)大大降低。所以我建議激光藥可調(diào)諧的，要是這激光不可調(diào)諧的話，激光武器就是無(wú)稽之談。很多國(guó)家激光武器失敗就在這里，平時(shí)計(jì)算做得很好，一到實(shí)際打擊應(yīng)用遇到不利的氣象條件馬上就失敗了。

宋家駿：由于時(shí)間限制，我們的討論就到此，下面請(qǐng)蔡榕書(shū)記講話。

蔡 榕：各位都是前輩，今天來(lái)了以后學(xué)到了很多東西。院里的要求是希望我們把這個(gè)創(chuàng)新鏈拉長(zhǎng)，今天也給了我們一個(gè)啟示，或者需要我們認(rèn)真考慮清楚，我們搞光學(xué)工程是不是要做到材料、器件？從那里開(kāi)始往下做？因?yàn)楝F(xiàn)在空天信息院做器件的、做平臺(tái)的、做探測(cè)設(shè)備的，包括光學(xué)相機(jī)和雷達(dá)都有，后面還有信息的處理、信息的深挖，一直到直接為用戶服務(wù)。成立空天院的主要目的就是希望把創(chuàng)新鏈拉長(zhǎng)，服務(wù)能夠直接面向用戶，這個(gè)長(zhǎng)度是不是夠？我們也沒(méi)有想得很清楚，我們最近也在組織空天信息院“十四五”的戰(zhàn)略規(guī)劃，按照原來(lái)院里的想法，好像我們都是八個(gè)十個(gè)方向都很重要，很難說(shuō)哪一個(gè)就是應(yīng)該集中力量往前走的。

當(dāng)然，我們還是在不斷地凝練和迭代的過(guò)程當(dāng)中，希望各位老領(lǐng)導(dǎo)、老專(zhuān)家給我們空天信息院未來(lái)的發(fā)展提出重要的意見(jiàn)和建議，特別是對(duì)我們主攻方向、主要學(xué)科點(diǎn)給予指導(dǎo)和幫助。

我們干著眼前的事情，還是要想清楚未來(lái)空天信息院是什么樣子，應(yīng)該是怎樣的科研機(jī)構(gòu)，能夠體現(xiàn)我們國(guó)家戰(zhàn)略科技力量的作用和地位?，F(xiàn)在起的名字叫做空天信息，但是這個(gè)名字非常大，現(xiàn)有的內(nèi)涵還不足以涵蓋空天信息所有的內(nèi)容，我們自己怎么定位，我們自己如何發(fā)展，然后做出有特色的，符合戰(zhàn)略科技力量定位的工作，這些對(duì)我們來(lái)講也是非常重要的事情。希望在座的各位老領(lǐng)導(dǎo)、老同志、老專(zhuān)家給我們建言獻(xiàn)策，并且在相關(guān)工作當(dāng)中給予我們?nèi)Φ闹С帧?/p>

何遠(yuǎn)光：這里還想對(duì)沙龍?zhí)岢鲆稽c(diǎn)希望。我們的沙龍是學(xué)術(shù)前沿沙龍，單老師對(duì)量子激光器和光纖激光器融合提得稍微少了一點(diǎn)，背景講的太多了。當(dāng)然，我的理解就是把量子激光器作為一個(gè)泵浦光源打入光纖激光器，這樣出來(lái)的能量更大更好，在這種情況下肯定就要解決一系列的技術(shù)問(wèn)題和材料問(wèn)題。沙龍選題方面應(yīng)該更好地結(jié)合空天創(chuàng)新研究院的學(xué)科發(fā)展，報(bào)告也要更多地涉及學(xué)術(shù)發(fā)展前沿性的問(wèn)題。要堅(jiān)持開(kāi)門(mén)辦沙龍，今天請(qǐng)的專(zhuān)業(yè)人士太少了，碰撞顯得不夠。要把科學(xué)院有關(guān)的專(zhuān)家集中起來(lái)討論某一個(gè)問(wèn)題，這樣做對(duì)這個(gè)學(xué)科的發(fā)展更有效。

感謝報(bào)告人，也感謝在座的各位同志參加老科協(xié)沙龍，希望今后電子所分會(huì)老科協(xié)的工作在蔡榕書(shū)記領(lǐng)導(dǎo)下做得更好。

桂文莊：今天單老師的報(bào)告信息量很大，比較全面和系統(tǒng)地介紹了量子激光器有關(guān)的技術(shù)、科學(xué)原理和應(yīng)用。這次沙龍的目的是不是要為我們將來(lái)空天信息研究院在這個(gè)方向的發(fā)展做一些啟發(fā)性、引導(dǎo)性的討論？報(bào)告讓我們了解到了量子激光器現(xiàn)在發(fā)展到了什么狀態(tài)，但是怎么緊扣空天信息研究院將來(lái)的發(fā)展討論不夠。我院在量子激光器方面已經(jīng)有了很多工作。量子激光器從量子阱一直到量子點(diǎn)、級(jí)聯(lián)激光器都有部署。量子激光器是半導(dǎo)體所的一個(gè)主要研究方向，他們的量子阱激光器做得非常好，2005年他們做出量子點(diǎn)激光器。在光纖激光器方面，上海光機(jī)所和西安光機(jī)所都做了大量的工作，半導(dǎo)體所也做了。上海光機(jī)所做得比較多，據(jù)說(shuō)大概是20千瓦以上的很早就做出來(lái)了。西安做的光子晶體激光器我還不太了解，還是第一次聽(tīng)單老師講這個(gè)事情。量子級(jí)聯(lián)激光器上海微系統(tǒng)所、半導(dǎo)體所都有研究，上海研制的16微米工作做得很好，用于太赫茲源，后來(lái)他們成立了太赫茲的院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。垂直腔面發(fā)射激光器半長(zhǎng)春光機(jī)所做得非常好，也是2005年以前的事情。所以說(shuō)，我們?cè)豪镆呀?jīng)有了長(zhǎng)期的研究部署?？仗煨畔⒀芯吭涸诳紤]部署這些事情的時(shí)候一定要考慮到全院已有的布局和我們?cè)鯓釉诶锩孀龊枚ㄎ弧?/p>

量子激光器主要的難度還是在設(shè)備和工藝，這一大套半導(dǎo)體設(shè)備，搞起來(lái)不是一件簡(jiǎn)單的事情。所以如果要在空天研究院部署量子激光器前端的研制生產(chǎn)部分，花費(fèi)是非常之大的，這些都是值得做規(guī)劃的時(shí)候好好考慮的。我們討論這件事情要從光電信息院整體出發(fā)，當(dāng)時(shí)電子所激光器做得很好，做的是高功率二氧化碳激光器。當(dāng)時(shí)院里就是兩家，一家是長(zhǎng)春光機(jī)所，一家是電子所，兩家還在不斷PK。現(xiàn)在怎么繼續(xù)往下做不太清楚，可能空天信息院要好好研究。最重要的是要應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)來(lái)部署和規(guī)劃我們將來(lái)的發(fā)展，不是說(shuō)這個(gè)東西好就要去做，我們應(yīng)該做出自己的特色，就是自己在應(yīng)用上的不可替代性。今天的沙龍討論我們空天院電子所這部分，未來(lái)激光這件事情上該怎么發(fā)展，也許我們應(yīng)該在面向應(yīng)用需求的前提下，集成現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展起來(lái)的技術(shù)。

2005年以前我國(guó)做激光器哪有什么企業(yè)？現(xiàn)在已經(jīng)有不少企業(yè)都做得很好，什么指標(biāo)什么性能都有，情況已經(jīng)大不相同。所以，我們考慮研究所的布局時(shí)，也要考慮到全國(guó)企業(yè)發(fā)展的狀態(tài)。這個(gè)沙龍一般只有半天時(shí)間，大家對(duì)很多問(wèn)題沒(méi)有特別深入的探討，多多少少有點(diǎn)科普的性質(zhì)。我們辦沙龍的目的是要真正地討論一些科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，甚至現(xiàn)在還在爭(zhēng)議的問(wèn)題，圍繞這些問(wèn)題進(jìn)行深入的討論。

朱敏慧：有關(guān)激光技術(shù)在電子所發(fā)展的問(wèn)題，在近十年電子所學(xué)術(shù)委員會(huì)討論了多次，希望將我所技術(shù)優(yōu)勢(shì)合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)和激光技術(shù)結(jié)合起來(lái)，能夠向系統(tǒng)方向發(fā)展，即發(fā)展激光合成孔徑雷達(dá)和光-微波雷達(dá)，現(xiàn)在已經(jīng)有了進(jìn)展。

現(xiàn)在我們是在發(fā)展探測(cè)技術(shù)，擴(kuò)大人類(lèi)對(duì)這個(gè)世界的認(rèn)知工具，沿著聲波-微波毫米波太赫茲-光子量子技術(shù)，站在這樣一個(gè)高度思考。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)顛覆性技術(shù)不斷擁現(xiàn)，我們應(yīng)該怎么來(lái)搞？我們電子所搞微波毫米波的空天地應(yīng)用，微波毫米波的技術(shù)和設(shè)備如合成孔徑雷達(dá)的角度來(lái)講，實(shí)際上也有技術(shù)成熟，也有一個(gè)臨界和極限問(wèn)題。剛才講的激光也是存在這樣的問(wèn)題。過(guò)去微電子所領(lǐng)導(dǎo)也跟我們交流了很多次，微波射頻部分怎么作到芯片上？今天的發(fā)展實(shí)際上也是往這個(gè)上面努力。實(shí)際上主要就是兩個(gè)問(wèn)題：從元器件方面講一個(gè)是材料、另一個(gè)是工藝制造問(wèn)題；從系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題講，重點(diǎn)在發(fā)現(xiàn)定位精確打擊。作為科學(xué)院?jiǎn)挝晃覀冊(cè)谔綔y(cè)設(shè)備和技術(shù)方面有優(yōu)勢(shì)也有劣處，那么我們的發(fā)展該往哪個(gè)方向？比如我們到大灣區(qū)分院發(fā)展太赫茲技術(shù)，切入口和重點(diǎn)應(yīng)該發(fā)展什么？未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)究竟在哪兒？是需要我們認(rèn)證和梳理清楚。

科學(xué)院的空天院一定要有自己的特色。我們科學(xué)院的空天信息研究院到底要搞什么？在科學(xué)院空間科學(xué)是在國(guó)內(nèi)占絕對(duì)領(lǐng)先的，空天信息院目標(biāo)能否和空間科學(xué)相結(jié)合？那是目前很少有人在考慮的。在今天討論光纖量子光纖激光器技術(shù)，我院高技術(shù)局就開(kāi)始在半導(dǎo)體所、微電子所等所很早部署了，空天信息院怎么和空間科學(xué)結(jié)合？這些應(yīng)該可以作為一個(gè)主要的方向。實(shí)際上這是要做很大量的調(diào)研和認(rèn)證工作，真的是站在國(guó)家的層面來(lái)考慮發(fā)展問(wèn)題，現(xiàn)在有的時(shí)候太可怕了，一樣?xùn)|西說(shuō)得好的不得了，浪費(fèi)了大量人力和物力，沒(méi)有全局觀念，其實(shí)都是因?yàn)楸澈竽承├婕瘓F(tuán)的作祟。

陳至立曾經(jīng)跟我們說(shuō)過(guò)一句話，在判斷有所為有所不為時(shí)，最難辦的就是有所不為，有些方向還是有偏廢的，很多頂級(jí)的科學(xué)家只能在他這個(gè)領(lǐng)域發(fā)聲，而且領(lǐng)導(dǎo)很容易聽(tīng)到，另外的聲音就聽(tīng)不見(jiàn)。如20年前我們就提出海洋強(qiáng)國(guó)海洋強(qiáng)軍思想，雷達(dá)朝向海洋應(yīng)用方向發(fā)展，高校相關(guān)的專(zhuān)業(yè)很少，1997年籌備國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候主要目標(biāo)就是發(fā)展海洋探測(cè)技術(shù)，但因?yàn)檫@方面頂尖專(zhuān)家少，難以得到支持，當(dāng)然現(xiàn)在已經(jīng)得到大家公認(rèn)，有了強(qiáng)力度支持和大發(fā)展。

我希望再也不要以拿到多少錢(qián)來(lái)衡量，這樣的話基礎(chǔ)性和前瞻性研究是沒(méi)人做也做不好的，過(guò)去我們真的是沒(méi)錢(qián)，國(guó)家實(shí)驗(yàn)室就是一兩萬(wàn)塊錢(qián)還在那里做事情，看起來(lái)沒(méi)有什么經(jīng)濟(jì)效益但有前瞻性的工作就是要部署。

張志林：根據(jù)蔡榕老師提的空天院的發(fā)展方向問(wèn)題和敏慧老師剛才的發(fā)言，我說(shuō)一點(diǎn)意見(jiàn)：八十年代中國(guó)科學(xué)院最低谷的時(shí)期，光召院長(zhǎng)在深入調(diào)研以后說(shuō)了一段話：我們?cè)阂欢ㄒ袃?yōu)勢(shì)，做出特色，在科技五路大軍所不能為、國(guó)家急需的地方，我們中國(guó)科學(xué)院必須努力做出貢獻(xiàn)!建議蔡榕老師在考慮空天院的發(fā)展方向時(shí)參考。

林世昌：由于時(shí)間關(guān)系，我們就不再繼續(xù)討論了。我們通過(guò)老科協(xié)的平臺(tái)有一些體會(huì)，要盡量搞出特色。今天幾位領(lǐng)導(dǎo)同志提出了對(duì)我們沙龍的要求，結(jié)合目前的前沿科學(xué)，也要結(jié)合我們單位的發(fā)展方向，這一點(diǎn)非常重要，我們要好好地領(lǐng)會(huì)和研究，以后我們還可以再接著搞。今天的會(huì)議非常熱烈，特別是領(lǐng)導(dǎo)和領(lǐng)導(dǎo)對(duì)我們的鼓勵(lì)和支持，老同志也有自己的想法和思路，希望對(duì)所里的工作有所促進(jìn)。

今天的沙龍活動(dòng)到此結(jié)束。最后要謝謝大家！