光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，其导光原理是利用光的全反射原理，即当光以大于临界角的角度由折射率大的光密介质入射到折射率小的光疏介质时，将发生全反射，入射光全部反射到折射率大的光密介质，折射率小的光疏介质内将没有光透过。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯、中间低折射率硅玻璃包层和最外部的加强树脂涂层组成。光纤按传播光波模式可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的芯径较小，只能传播一种模式的光，其模间色散较小。多模光纤的芯径较粗，可传播多种模式的光，但其模间色散较大。按折射率分布的情况化分，可分为阶跃折射率(SI)光纤和渐变折射率(GI)光纤。以稀土掺杂光纤激光器为例，掺有稀土离子的光纤芯作为增益介质，掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔，泵浦光从M1入射到光纤中，从M2输出激光。当泵浦光通过光纤时，光纤中的稀土离子吸收泵浦光，其电子被激励到较高的激发能级上，实现了离子数反转。反转后的粒子以辐射形成从高能级转移到 基态，输出激光。图1的反射镜谐振腔主要用以说明光纤激光器的原理。实际的光纤激光器可采用多种全光纤谐振腔。

采用2×2光纤耦合器构成的光纤环路反射器及由此种反射器构成的全光纤激光器，(a)表示将光纤耦合器两输出端口联结成环，(b)表示与此光纤环等效的用分立光学元件构成的光学系统，(c)表示两只光纤环反射器串接一段掺稀土离子光纤，构成全光纤型激光器。以掺Nd3+石英光纤激光器为例，应用806nm波长的AlGaAs(铝镓砷)半导体激光器为泵浦源，光纤激光器的激光发射波长为1064nm，泵浦阀值约470μW。利用2×2光纤耦合器可以构成光纤环形激光器。如图3(a)所示，将光纤耦合器输入端2联结一段稀土掺杂光纤，再将掺杂光纤联结耦合器输出端4而成环。泵浦光由耦合器端1注入，经耦合器进入光纤环而泵浦其中的稀土离子，激光在光纤环中形成并由耦合器端口3输出。这是一种行波型激光器，光纤耦合器的耦合比越小，表示储存在光纤环内的能量越大，激光器的阈值也越低。典型的掺Nd3+光纤环形激光器，耦合比≤10%，利用染料激光器595nm波长的输出进行泵浦，产生1 078mn的激光，阈值为几个毫瓦。

上述光纤环形激光腔的等效分立光学元件的光路安排图3(b)所示。利用光纤中稀土离子荧光谱带宽的特点，在上述各种激光腔内加入波长选择性光学元件，如光栅等，可构成可调谐光纤激光器，典型的掺Er3+光纤激光器在1 536和1 550nm处可调谐14nm和llnm。稀土掺杂石英光纤激光器以成熟的石英光纤工艺为基础，因而损耗低和精确的参数控制均得到保证。适当加以选择可使光纤在泵浦波长和激射波长均工作于单模状态，可达到高的泵浦效率，光纤的表面积与体积之比很大，散热效果很好，因此，光纤激光器一般仅需低功率的泵浦即可实现连续波运转。光纤激光器易于与各种光纤系统的普通光纤实现高效率的接续，且柔软、细小，因此不但在光纤通信和传感方面，而且在医疗、计测以及仪器制造等方面都有极大的应用价值。

类型按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为：1、晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG单晶光纤激光器等。2、非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。3、稀土类掺杂光纤激光器。光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器。4、塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。

按增益介质分类为：a)晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和Nd3+:YAG单晶光纤激光器等。b)非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。c)稀土类掺杂光纤激光器。向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶)而制成光纤激光器。d)塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。(2)按谐振腔结构分类为F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器等。(3)按光纤结构分类为单包层光纤激光器、双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。(4)按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器，其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q光纤激光器(脉冲宽度为ns量级)和锁模光纤激光器(脉冲宽度为ps或fs量级)。(5)根据激光输出波长数目可分为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。(6)根据激光输出波长的可调谐特性分为可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。(7)按激光输出波长的波段分类为S-波段(1460~1530 nm)、C-波段(1530~1565 nm)、L-波段(1565~1610 nm)。(8)按照是否锁模，可以分为：连续光激光器和锁模激光器。通常的多波长激光器属于连续光激光器。按照锁模器件而言，可以分为被动锁模激光器和主动锁模激光器。其中被动锁模激光器又有:等效/假饱和吸收体：非线性旋转锁模激光器(8字型，NOLM和NPR)真饱和吸收体： SESAM或者纳米材料(碳纳米管，石墨烯，拓扑绝缘体等)。

优势光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以下优势：

(1)玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势;

(2)玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故;

(3)玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以转换效率较高，激光阈值低;

(4)输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多;

(5)可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。

(6)由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。

(7)光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。

(8)胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。

(9)不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。

(10)高的电光效率：综合电光效率高达20%以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。

(11)高功率,商用化的光纤激光器是六千瓦。劣势由于光纤纤芯很小。相比于固体激光器，其单脉冲能量很小。技术高功率的光纤激光器及其包层泵浦技术双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实。自1988年E Snitzer首次描述包层泵浦光纤激光器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域，成为制作高功率光纤激光器首选途径。包层泵浦技术，由四个层次组成:①光纤芯;②内包层;③外包层;④保护层。将泵光耦合到内包层(内包层一般采用异形结构，有椭圆形、方形、梅花形、D形及其六边形等等),光在内包层和外包层(一般设计为圆形) 之间来回反射,多次穿过单模纤芯被其吸收。这种结构的光纤不要求泵光是单模激光,而且可对光纤的全长度泵浦,因此可选用大功率的多模激光二极管阵列作泵源,将约70%以上的泵浦能量间接地耦合到纤芯内,大大提高了泵浦效率。包层泵浦技术特性决定了该类激光器有以下几方面的突出性能。1、高功率一个多模泵浦二极管模块组可辐射出100瓦的光功率，多个多模泵浦二极管并行设置，即可允许设计出很高功率输出的光纤激光器。

2、无需热电冷却器这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作，只须简单的风冷，成本低。

3、很宽的泵浦波长范围高功率的光纤激光器内的活性包层光纤掺杂了铒/镱稀土元素，有一个宽且又平坦的光波吸收区(930-970nm),因此，泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置

4、效率高泵浦光多次横穿过单模光纤纤芯，因此其利用率高。

5、高可靠性多模泵浦二极管比起单模泵浦二极管来其稳定性要高出很多。其几何上的宽面就使得激光器的断面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦很低。这样一来，泵浦二极管其可靠运转寿命超过100万小时。实现包层泵浦光纤激光器的技术概括起来可分为线形腔单端泵浦、线形腔双端泵浦、全光纤环形腔双包层光纤激光器三大类，不同特色的双包层光纤激光器可由该三种基本类型拓展得到。OFC-2002的一篇文献采用的结构，实现了输出功率为3.8W、阈值为1.7W，倾斜效率高达85%的新型包层泵浦光纤激光器[1]。

在产品技术方面，美国IPG公司异军突起，已开发出700W的掺镱双包层光纤激光器，并宣称将推出2000W的光纤激光器。应用7.1 标刻应用脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，最长的免维护时间，最高的整体电光转换效率，脉冲重复频率，最小的体积，无须水冷的最简单、最灵活的使用方式，最低的运行费用使其成为在高速、高精度激光标刻方面的唯一选择。一套光纤激光打标系统可以由一个或两个功率为25W的光纤激光器，一个或两个用来导光到工件上的扫描头以及一台控制扫描头的工业电脑组成。这种设计比用一个50W激光器分束到两个扫描头上的方式高出达4倍以上的效率。该系统最大打标范围是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全标刻范围内绝对定位精度是+/-100um。100um工作距离时的聚焦光斑可小到15um。7.2 材料处理的应用光纤激光器的材料处理是基于材料吸收激光能量的部位被加热的热处理过程。1um左右波长的激光光能很容易被金属、塑料及陶瓷材料吸收。7.3 材料弯曲的应用光纤激光成型或折曲是一种用于改变金属板或硬陶瓷曲率的技术。集中加热和快速自冷切导致在激光加热区域的可塑性变形，永久性改变目标工件的曲率。研究发现用激光处理的微弯曲远比其他方式具有更高的精密度，同时，这在微电子制造是一个很理想的方法。

7.4 激光切割的应用随着光纤激光器的功率不断攀升，光纤激光器在工业切割方面得以被规模化应用。比如：用快速斩波的连续光纤激光器微切割不锈钢动脉管。由于它的高光束质量，光纤激光器可以获得非常小的聚焦直径和由此带来的小切缝宽度正在刷新医疗器件工业的标准。由于其波段涵盖了1.3μm和1.5μm两个主要通信窗口，因此光纤激光器在光通信领域拥有不可替代的地位，大功率双包层光纤激光器的研制成功使其在激光加工领域的市场需求也呈迅速扩展的趋势。光纤激光器在激光加工领域的范围和所需性能具体如下：软焊和烧结：50-500W;聚合物和复合材料切割：200W-1kW;去激活：300W-1kW;快速印刷和打印：20W-1kW;金属淬火和涂敷：2-20kW;玻璃和硅切割：500 W-2kW。此外，随着紫外光纤光栅写入和包层泵浦技术的发展，输出波段在紫光、蓝光、绿光、红光及近红外光的波长上转换光纤激光器已可以作为实用的全固化光源而广泛应用于数据存储，彩色显示，医学荧光诊断。远红外波长输出的光纤激光器由于其结构灵巧紧凑，能量和波长可调谐等优点，也在激光医疗和生物工程等领域得到应用。

半导体激光(Semiconductor laser)在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管(Laser diode)等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器(激光笔)，是目前生产量最大的激光器。激光二极体的优点有：效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也达到数%~25%，总而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围，而光脉冲输出达50W(脉宽100ns)等级的产品也已商业化，作为激光雷达或激发光源可说是非常容易使用的激光的例子。工作原理根据固体的能带理论，半导体材料中电子的能级形成能带。高能量的为导带，低能量的为价带，两带被禁带分开。

引入半导体的非平衡电子-空穴对复合时，把释放的能量以发光形式辐射出去，这就是载流子的复合发光。一般所用的半导体材料有两大类，直接带隙材料和间接带隙材料，其中直接带隙半导体材料如GaAs(砷化镓)比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率，发光效率也高得多。半导体复合发光达到受激发射(即产生激光)的必要条件是：①粒子数反转分布分别从P型侧和n型侧注入到有源区的载流子密度十分高时，占据导带电子态的电子数超过占据价带电子态的电子数，就形成了粒子数反转分布。②光的谐振腔在半导体激光器中，谐振腔由其两端的镜面组成，称为法布里一珀罗腔。③高增益用以补偿光损耗。谐振腔的光损耗主要是从反射面向外发射的损耗和介质的光吸收。

半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：(1)要产生足够的 粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数;(2)有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡;(3)要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(即利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。

半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。

封装技术5.1技术介绍半导体激光器封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而半导体激光器封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于半导体激光器。

5.2发光部分半导体激光器的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高半导体激光器的内、外部量子效率。常规Φ5mm型半导体激光器封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀;采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角;管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到半导体激光器的轴线方向，相应的视角较小;如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。

5.3驱动电流一般情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1%左右，封装散热;时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。但是，半导体激光器的光输出会随电流的增大而增加，很多功率型半导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的半导体激光器封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外，在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。

进入21世纪后，半导体激光器的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙半导体激光器光效已达到100Im/W，绿半导体激光器为501m/W，单只半导体激光器的光通量也达到数十Im。半导体激光器芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量，晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强半导体激光器内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向。决定因素半导体光电器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时，就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。

材料科学的发展使我们能采用能带工程对半导体材料的能带进行各种精巧的裁剪，使之能满足我们的各种需要并为我们做更多的事情，也能使半导体光电器件的工作波长突破材料禁带宽度的限制扩展到更宽的范围。损耗关系激光器的腔体可以有谐振腔和外腔之分。在谐振腔里，激光器的损耗有很多种类，比如偏折损耗，法布里珀罗谐振腔就有较大偏折损耗，而共焦腔的偏折损耗较小，适合于小功率连续输出激光，还比如反转粒子的无辐射跃迁损耗(这类损耗可以归为白噪声)等等之类的，都是腔长长损耗大。激光器阈值电流不过就是能让激光器起振的电流，谐振腔长短的不同可以使得阈值电流有所不同，半导体激光器中，像边发射激光器腔长较长，阈值电流相对较大，而垂直腔面发射激光器腔长极短，阈值电流就非常低了。这些都不是一两句话可以说的清楚的，它们各自的速率方程也都不同，不是一两个式子能解释的。另外谐振腔长度不同也可以达到选模的作用，即输出激光的频率不同。

半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。

光纤激光器和半导体激光器的区别就是他们发射激光的介质材料不同。光纤激光器使用的增益介质是光纤，半导体激光器使用的增益介质是半导体材料，一般是砷化镓，铟镓申等。(同理，固体激光器的增益介质一般是晶体或者玻璃，陶瓷等。气体的就是使用氦氖气，二氧化碳等。)半导体激光器的发光机理是粒子在导带和价带之间跃迁产生光子，因为是半导体，所以使用电激励即可，是直接的电光转换。而光纤不能够直接实现电光转换，需要用光来泵浦增益介质(一般用激光二极管泵浦)，它实现的是光光转换。　　光纤激光器散热好，一般风冷即可。半导体激光器受温度影响非常大，当功率较大是，需要水冷。

半导体激光器就是用固体激光材料作为工作物质的激光器。一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。