目錄

• 簡介

• 主持人致辭

• 主旨報告

• 單煥炎：量子-光纖激光器

• 討論與交流

• 主要專家簡介：

• 展開

【簡介】

量子激光器是激光激活區的三維尺度接近或小于10nm的半導體激光器，當一維尺度在10nm左右時稱為量子阱激光器，當兩維尺度在10nm左右時稱為量子線激光器，當三位尺度在10nm左右時稱為量子點激光器。此外，還有應變量子激光器、量子級聯激光器等。

光纖激光器其實是固體激光器的延伸和發展，具有很多優勢。光纖成本低、撓度好，帶來小型化、集約化優勢;只需簡單的風冷，散熱快、損耗低，轉換效率較高，激光閾值低; 輸出激光波長多，具有可調諧性；具有免調節、免維護、高穩定性的優點，可以容忍惡劣的工作環境；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，結構簡單，轉換效率高，安全可靠，壽命長，易集成，維護簡便，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，能夠廣泛用于通信、工業加工、探測、雷達、跟蹤、醫療等領域。量子光纖激光器的應用廣泛，預計可替代現有的絕大多數氣體和固體激光器，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題、關鍵技術和應用前景。

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【主持人致辭】

宋家駿：各位領導、各位專家，今天我們舉行空天信息院電子分會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告，講解量子光纖激光器。下面請林世昌理事長致辭。

林世昌：今天很高興這么多領導、這么多專家蒞臨我們的沙龍活動，歡迎大家的光臨！今天我們講的是激光方面的專題，激光在電子所歷史很悠久了，實際上成立電子所以來就有激光學科，到現在已經超過了六十多年，但是仍在不斷發展。我們電子分會在專家建議座談會上提出量子光纖激光，這個題目挺新穎挺前沿，今天辦這個沙龍請大家一起來討論。

單煥炎研究員從事激光研究已經有很長時間了，取得了很好的成績，對開展量子激光的研究頗有想法，目前我們電子所尚未開展這方面的工作，希望通過今天的沙龍對此項研究工作起到一定的推動作用。

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【主旨報告】

單煥炎  量子-光纖激光器

今天我來介紹一下量子-光纖激光器，分四個問題講：一、什么是量子-光纖激光器；二、量子激光器發展的狀況和應用；三、光纖激光器發展的狀況和應用；四、我國量子-光纖激光器發展概況。

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的氣體和固體激光器的趨勢。

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壓縮到10 nm左右的激光器稱為量子激光器。是在半導體激光器的基礎上發展起來的。

當激光有源區的尺度不斷壓縮，壓到10 nm左右時，由量變發生了質的變化，量子效應起了關鍵性的作用，使激光器的參數指標不但沒有下降，反而得到大幅提升，用途也大為擴展。

以砷化鎵（GaAs）為例，沒有摻雜的砷化鎵本征半導體的晶體結構是由砷原子和鎵原子分別構成的兩個面心立方沿一條對角線位移其四分之一長度套構而成的。如圖1所示。

圖1. 砷化鎵晶體的面心立方結構

如果有一小部分面心立方中的一個五價的砷原子被一個六價的碲原子替代，它就由本征半導體變成n型半導體，如果有一小部分面心立方中的一個三價的鎵原子被一個兩價的鋅原子替代，它就由本征半導體變成P型半導體。

將P型半導體和n型半導體對接在一起，在對接的一小部分區域，由于擴散和漂移形成具有內建電場E的P-N結。

圖2. P-N結的形成

這個P-N結有許多我們可利用的特性，例如：在電路中常用到的單向導電的整流二極管、照明用到的發光二極管和激光二極管等。

圖3. 半導體P-N結的一些用途

圖4. 孤立原子的能級和晶體的能帶

孤立原子的能級是一個一個分立的，當大量原子形成晶體結構時，孤立原子每個分立的能級受其它原子的作用分裂成大量相隔很近的能級，形成能帶，能帶和能帶之間有一段間隙，稱為禁帶或帶隙。

半導體激光器有源區的尺度約為：0.1—0.3μm，在這個尺度下，能帶中的能級之間的間隔很小，由于熱運動，電子很容易從一個能級遷移到另一個能級。這就使半導體激光器常出現以下問題：

1.  由于半導體的能帶結構，使得可產生的激光譜線眾多，功率小。

2.  閾值電流大，效率不夠高。

3.  出現頻率啁啾，用途受限。

4.  光譜線寬寬，調制帶寬受限。

5.  譜線波長受溫度影響嚴重。

我們將激光有源區的三維尺度逐一大幅減小，把一維X方向的邊長壓縮到10納米，我們就把它叫做量子阱激光器，把兩維X、Y方向都壓縮到10納米，就叫做量子線激光器。三維空間都壓縮到10納米左右，我們就把它稱為量子點激光器。

圖5. 量子激光器有源區的尺度

(一) . 量子激光器

我們將半導體激光器有源區尺度逐一大幅減小的激光器稱為量子激光器,是因為量變發生了質變,量子效應起了關鍵作用,使得激光器的參數指標不但沒有下降,反而有了大幅提升，用途也大大擴展。

為了說明量子效應的作用，我們把一個電子限制在一個邊長分別LX、LY、LZ的長方形盒子中，如圖6所示。通過求解薛定諤方程我們很容易得到，一個電子在長方形盒子中的波函數、動量本征值和能量的本征值的表達式分別為：

圖6.  一個電子被限制在一個長方形的盒子中

電子的波函數為:

  (1)

動量的本證值為：

, ,  (2)

能量的本證值為：

   (3)

式中nx、ny、nz = 0、±1、±2、±3、……、±m、……

我們來看能量En的本征值，括號前是一個常數，括號中有六個變量，其中nx、ny、nz是三個分別取正、負整數的量子數，Lx、Ly、Lz分別是長方形盒子的邊長，而且Lx、Ly、Lz分別以平方的形式出現在分母上。設想一下：如果將三個邊長逐一分別壓縮到原來的1/10、1/20、1/30，則能級之間的間隔就會分別擴大100倍、400倍、900倍。能級之間間隔百倍的擴大將使狀態密度發生如圖7所示的變化，所謂狀態密度是指單位能量間隔內的狀態數，即：D(E) = dN/dE。

圖7.  長方形盒子邊長分別壓縮后電子狀態密度的變化

由圖7可見，量子點的狀態密度由能帶又回到了原子、分子的分立能級狀態。

由圖4，當半導體的激活區在0.1—0.3μm時，每個能帶中的能級之間的間隔是很小的，也就是說能級密度很高，電子由于熱運動，很容易從一個能級跳躍到另一個能級，這就使半導體激光器常出現前面所提到的五個問題。

現在將長方形盒子的邊長逐一大幅壓縮，能級之間的間隔大幅增加，電子就不能輕易從一個能級跳躍到另一個能級，使激光譜線更專一，減少了電子在不需要的能級上的分布，由于量子效應起了作用，激活區的逐一壓縮，激光器的參數指標不但沒有減弱，反而得到大幅提升，故而將這些激光器分別稱為量子阱激光器、量子線激光器和量子點激光器。要注意的是公式中的電子質量要用電子在晶體中的有效質量。

能帶的變化導致的結果是：

1.  隨著維數減少，能級的密度減小。

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）減少了載流子的內部損耗，提高了效率；

5）提高了激光器的調制帶寬：

6）減少了頻率啁啾

2.  由于Eg-q > Eg-b ，量子阱激光的波長小于普通LD。

3.  階帶中重空穴和輕空穴能帶的分離，導致階帶和導帶能態密度的不對稱，提高了閾值電流，降低了微分增益。這可通過引入應變和補賞應變得到克服。

1. 一維量子阱超晶格結構

一維量子阱超晶格是指由交替生長兩種帶隙寬度不同的半導體材料薄層組成的一維周期性結構。 制作量子阱結構需要用超薄層的薄膜生長技術這種思想是1968年Bell實驗室的江崎（Esaki）和朱肇祥首先提出的，并于1970年首次在GaAs半導體上制成了超晶格結構。江崎等人把超晶格分為兩類：成分超晶格和摻雜超晶格。理想超晶格的空間結構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構和能帶圖

如果產生激光的電子躍遷發生在交替薄層的窄帶隙之間，我們稱其為量子阱激光器，如圖10所示，如果產生激光的電子躍遷發生在導帶的帶隙之間，我們稱其為量子級聯激光器，如圖11所示。

圖10. 量子阱激光器的電子躍遷             圖11. 量子級聯激光器的電子躍遷

由于交替薄層窄帶隙的寬度比導帶帶隙的寬度寬，量子阱激光器的波長比量子級聯激光器的波長短，一般在中紅外到可見光波段，量子級聯激光器的波長在2μm—1000μm，即中紅外到太赫茲波段，而且可通過改變交替薄層的厚度來調節。

圖12. 普通半導體激光器和量子級聯激光器產生光子過程比較

量子級聯激光器的工作原理與通常的半導體激光器截然不同，它打破了傳統p-n結型半導體激光器的電子-空穴復合受激輻射機制，量子級聯激光器受激輻射過程只有導帶中的電子參與，從而實現單電子注入的多光子輸出，且可以輕松地通過改變量子阱層的厚度來改變激光波長。

量子級聯激光器比其它激光器優勢在于它的級聯過程，電子從高能級跳躍到低能級過程中，不但沒有損失，還可以注入下一個過程再次發光。

圖13. 多量子阱與超晶格量子級聯的差別

多量子阱和超晶格量子級聯的本質差別在于勢壘的寬度：當勢壘很寬時電子不能從一個量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱之間沒有相互耦合，此為多量子阱的情況；當勢壘足夠薄使得電子能從一個量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱相互耦合，此為超晶格量子級聯的情況。

圖15. 量子級聯激光器

2. 幾種激光器的增益系數和效率比較

我們知道半導體激光器的增益系數約為：

而普通連續波二氧化碳激光器的增益系數約為：

紅寶石、釹玻璃、YAG激光器的增益系數約為：

半導體激光器的效率可達： 40—50 % 。而氣體、固體激光器的效率達到： 20—30 % 就相當不錯了。

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% ，單管輸出功率達瓦級。

從上述數據可以看出，當量子激光器的維數逐一壓縮時，增益呈一個數量級、一個數量級地向上增長，效益按10%—20%向上增長。

3. 垂直腔面發射激光器（VCSEL）

通常的激光器反射鏡都安裝在縱向的兩端，對于量子激光器由于尺度的大幅壓縮，可將反射鏡安裝在側面，做成垂直腔面發射激光器（VCSEL）。這個結構改進，可使激光輸出功率大幅提高。

圖16. 垂直腔面發射激光器                                    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405.8nm（藍光），是1997年研制出來的。1992年9月，雙異質結構的氮化鎵發光二極管試制成功。2014年10月7日憑借上世紀90年代初發明的高亮度藍色發光二極管，日本的中村修二和赤崎勇、天野浩共同獲得2014年諾貝爾物理學獎。此后，中村修二致力研制綠光的激光器，據說因導帶中的大量電子沒有與空穴復合把能量交給激光，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的俄歇過程而消耗掉了，至今仍在努力克服這個問題。

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. 垂直腔面發射激光腔

分布反饋激光腔是沿激光有源區的側面刻上一排光柵形成的腔。垂直腔面發射激光腔具有以下優點：

1）. 易于實現二維平面和光電集成。

2）. 圓形光束易于實現與光纖的有效耦合。

3）. 有源區尺寸極小，可實現高封裝密度和低閾值電流。

4）. 芯片生長后無須解理、封裝即可進行在片實驗。

5）. 在很寬的溫度和電流范圍內都以單縱模工作。

6）. 成品率高、價格低。

圖21. 垂直腔面發射激光腔實例                              圖22. 垂直腔面發射激光腔實例

5. 量子激光器的種類

根據有源區和機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）量子點激光器

4）應變量子激光器

5）級聯量子激光器

6）補賞應變量子激光器

等等。

6. 量子激光器的問題

量子激光器的問題主要有：

1）重、輕空穴的出現使階帶簡并能級分裂、態密度不對稱。

2）晶格常數失配。

這兩個問題都會導致閾值電流上升，增益下降，譜線展寬。 通過引入應變，這兩個問題都得到了很好的解決，因而出現了應變量子激光器和補償應變量子激光器。

圖23. 重、輕空穴引起階帶空穴能級扭曲和分裂                                           圖24. 晶格失配引入應變

7. 應變量子激光器和補償應變量子激光器

通常構成量子阱的二種材料的晶格常數要經過特殊選擇調整，以保證它們之間的晶格匹配，避免在其交界面區產生大量的失配位錯，影響界面帶結構和電子的輸運，它大大限制了量子結構材料選擇的自由度。

應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生長在一起。由于材料物理特性的優化，使得半導體發光器件的性能得到革命性的巨大改善。

圖25. 應變量子阱材料的能帶圖

引入應變和補償應變改善階帶能級結構。應變的引入減小了空穴的有限質量差，進一步減小了價帶間的躍遷，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，并且由于價帶間躍遷的減小和俄歇復合的降低而進一步改善了溫度特性，實現了激光器無致冷工作。

(二). 光纖激光器

光纖激光器是在固體激光器的基礎上發展起來的，也可稱它為柔細的固體激光器。

固體激光器是在晶體中摻雜了激光介質，使這些激光介質成為整個晶體的組成部分，用閃光燈光泵來產生激光。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的玻璃光纖芯中作為激光介質，用量子激光器光纖輸出的光來泵浦產生激光。

通常光纖是用來傳遞光能和光信息的，因此這種光纖由三層結構組成：

1.光纖芯、2.內包層、3.保護層

而光纖激光器的光纖通常由四層結構組成：

1.光纖芯、2.內包層、3.外包層、4.保護層

內芯摻雜的是激光介質，它也構成了光纖激光器的諧振腔。內包層是用來作為泵浦光的傳輸通道。

圖26. 傳輸用的光纖橫截面結構     圖27. 光纖激光器用的光纖橫截面結構

圖28. 雙包層摻雜光纖的原理結構

1. 光纖激光器的橫截面結構

圖29. 光纖橫截面不同的結構

實驗證明并不是同心圓橫截面的結構最好，而是長方形的橫截面的結構最好。圖30給出這個結果。

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入光纖，或量子激光器的輸出光纖與光纖激光器的內包層對接。無論是傳輸信號用的光纖還是光纖激光器用的光纖，從光纖芯到內包層再到外包層介質的折射率是逐一遞減的，因為全反射，光纖芯中的光不能進入內包層，而光纖內包層的光可進入光纖芯，但它不能進入外包層。量子激光器輸出的光經光纖對接進入光纖激光器的內包層后，經多次反射，進入光纖芯被摻入光纖芯內的激光介質吸收，形成粒子數反轉，產生新的激光。

2. 量子激光器與光纖激光器的泵浦對接

量子激光器輸出光纖與光纖激光器內包層的對接有端接、側接多種方案，

如圖33—37所示：

圖33. 光纖端接方案                       圖34. 光纖側接方案

圖35. 光纖側接方案                  圖36. 光纖側接方案

圖37. 又一個光纖側接方案

兩光纖對接主要采用側接方案，因為側接可以接許多根光纖。

3. 光纖激光器的種類

按腔結構：線性腔和環形腔

按運行方式：連續和脈沖

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.  量子激光器發展的狀況和應用

我們階段性地概括量子激光器發展的狀況和應用。以1970年為界，自超晶格的概念提出并在實驗上獲得成功，人們的視線開始關注量子激光器。

1.  1962年美國GaAs同質半導體激光出光，液氮下脈沖方式。

2.  1967年液相外延單異質半導體激光出光，室溫脈沖。

3.  1970年貝爾實驗室雙異質結出光，室溫連續工作。

4.  1968年貝爾的江崎和朱肇祥提出超晶格結構，1970年實現。

5.  1977年提出，1979年實現了垂直腔面發射激光器。

6.  1978年開始研究量子阱激光器（已從可見光到中紅外）。

7.  1986年第一臺量子線（用于CD機電流的十萬分之一）。

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

9.  1991年InGaP/InGaAlP紅光634nm ，600mw應變量子阱出光 。

10.  1994年可調諧的量子級聯激光器出光（15—1000μm）。

11.  1994年首次報道用MOCVD法自組織1.3μm波長的InGaAs/GaAs量子點激光器 。

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

我們再來看量子點激光器的發展狀況。

1.   1986年Asada的InGaAs量子點材料，增益達到 104 / cm。

2.   1994年Ledentsov的InGaAs量子點的光泵浦激射現象。

3.   1999年，100μm條寬，在室溫下連續輸出功率可達 3.5W-4W，效率達到95％。

4.   2000年氧化物限制量子點，波長1.3μm，閾值19A/cm2。

5.   2000年在InGaAs量子點77K低溫下觀察到16μm的激射。

6.   2004年東京大學在1.3μm，20℃-70℃間不用調整電流 就能穩定的發送出10Gb/s的光信息。

7.   2005年中國科學院半導體研究所成功制備了激射波長 1.33μm，可在室溫連續工作的GaAs基InAs自組織量子 點邊發射激光器 。

8.   2012年臺灣國立交通大學利用InAs/InGaAs/GaAs量子點 獲得可調諧范圍達  130nm  ( 1160-l29Onm)  和 150nm  ( 1143-1293nm )  的可調諧量子點激光。

9.   2015年日本東北大學器件的中心波長為1230nm，圍繞該中心具有44nm調諧寬帶。用于波分復用（WDM）， 因為在1530–1565nm的傳統波段（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年歐盟節能硅發射器使用III-V族半導體量子點， 要開發一個總容量 400Gbps 發射機。

我們為什么這么關注量子激光器呢？主要是它具有許多其它激光器無法具備的優點。

1. 量子激光器的優點：

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

2).  有利于形成粒子數反轉，轉換效率高（70—90%）

3).  結構簡單（P-N結或單結結構）

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（無需預熱等準備工作）

6).  維護簡便，沒有易耗品

7).  壽命長（10萬小時）（晶體、封接牢靠）

8).  易集成，易與芯片和光纖激光器對接

激光器要具備全部這些優點是很難得的，因此，它可以獨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、激光手術刀、 材料加工和防偽檢測等領域。

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

3）.  2—12μm 用于檢測毒品、爆炸物、藥品、有機分子等。

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

美國西北大學的一個研究團隊通過將非對稱取樣光柵分布式反饋激光器與光放大器結合，研發出了發射波長為2—11微米的單模可調諧量子級聯激光器（QCL），用于檢測各種化學品。 Al0.63In0.37As/Ga0.37In0.63As/Ga0.47In0.53As .實現了同一個設計模塊能改變波長的目的，單模光譜調諧范圍達300納米。

圖41. 美國西北大學的可調諧量子級聯激光器

表1. 美國西北大學量子級聯激光器2014年的參數指標

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

表2. 幾種不同的量子激光器的波長、功率和用途

三. 光纖激光器的發展狀況和應用

1.   1964 世界上第一個玻璃激光為釹玻璃光纖激光。

2.   1993 長方形內包層光纖激光器。效率50％，功率5W。

3.   1999 用4只45W半導體激光泵浦摻鐿雙包層光纖，實現。  110W、波長1120nm的激光輸出。

4.   2003年2月Southampton Photonics, Inc.（SPI） 宣布摻Yb光纖實現了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年深圳創鑫公司MOPA光纖激光器達20KW，平均功率100瓦。

光纖激光器的應用領域包括：

1. 通訊領域

摻鉺的1.3μm、1.55μm正是窗口，光孤子通信，空間通信

2. 工業加工領域

摻鐿的1060—1200nm，切割、焊接、表面處理及微加工

3. 軍事領域

雷達、跟蹤、制導、艦載、機載、車載、星載激光武器

4.  醫療領域

外科手術，微創內科治療，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。

表3. 幾種光纖激光器的波長、功率和用途

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

脈沖調Q光纖激光器和光纖放大器可用于光纖通信等領域。

下面簡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計的模場特性，能改變傳導模式和有源介質之間的相互作用，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，簡稱為PBG）特性的人造周期性電介質微結構。有時也稱為PBG光子晶體結構。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構中傳播，即這種結構本身存在“禁帶”。

能帶與能帶之間出現帶隙，即光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內的光子，不能進入該晶體。通過引入缺陷破壞光子晶體的周期結構特性，那么在光子帶隙中將形成相應的缺陷能級。 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給出了三個光子晶體的樣本：

圖44. 三個光子晶體的樣本

光子晶體分為兩類：

1. 折射率導光型（IG-PCF），1996年做出。

2. 帶隙引導型（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式的結構，外圓是硅玻璃，黑色六邊形是空氣管道，中心對邊距為 8.1 μm，兩小網心矩為3.2 μm。通常利用堆管技術制作預制棒，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構

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

圖48. 光子晶體光纖中的模場分布

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分布。

2. 光子晶體光纖激光器的特點：

1）  光子晶體光纖具有可以靈活設計的模場特性 。

2）  能改變傳導模式和有源介質之間的相互作用 。

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、高數值孔徑獲高泵浦效率 。

3. 光子晶體光纖激光器的發展狀況：

1）  2001 年，英國南安普頓大學首臺摻鐿單模、大模場光子晶體光纖激光器，為高功率、高光束質量指明方向。

2)   2003 年德國 Jena 大學PCFL功率達 1.2 KW 。

3)   2006年PCF纖芯直徑為 60μm、長 0.58m，泵浦功率425W，實驗獲 320W 的連續單橫模激光輸出，效率78%。

4)   國內從2004—2009年深圳大學、南開大學、河北大學、西安光機所等也開展了中、小功率PCFL的研究。

4. 光子晶體的用途：

1）  光子晶體波導

2）  光子晶體光纖：類似于單模光纖

3）  光子晶體超棱鏡（普通棱鏡體積的1%，δ強100—1000倍）

4）  光子晶體超反射鏡

5）  抑制自發輻射

6）  光子的局域化，光子-能量存貯器

7）  二維光子晶體微腔

8）  時間色散—慢光效應等

9）  空間色散—負折射、超棱鏡、超透鏡

在光子晶體的用途中，值得關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棱鏡的1%左右，但其色散能力比常規棱鏡強100—1000倍。對波長為1.0μm和0.9μm的兩束光，常規棱鏡無法將它們分開，但光子晶體超棱鏡可將它們分開到60°左右。該特性在光通信和信息處理中具有重要的意義。其他應用還包括參量放大與波長轉換、光開關、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域無損耗傳播。

5. 激光高能量高功率的原理

在量子理論中，電子是費米子，多粒子體系的電子波函數是反對稱波函數，任意交換兩個電子，波函數就改變一個符號，即由正號變為負號，或由負號變為正號，因此一個電子態只允許占據一個電子。而光子是玻色子，多粒子體系的光子波函數是對稱波函數，任意交換兩個光子，波函數保持不變，因此一個光子態可以占據無數個光子。何為一個光子態？在x、y、z、Px、Py、Pz六維相格空間中，處于h3小體積元內的光子是不可區分的，我們稱它為一個光子態。

 （4）

h3～2.9 x 10-79 爾格3·秒3    (5)

同一光子態的光子數稱為光子簡并度，由于上述原理，簡并度原則上沒有限制，激光的簡并度可以做得非常高，因此可以產生高能量、高功率的激光輸出。激光武器正是基于這個原理。

美國海軍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

圖50. 美國的光纖激光武器系統

有報道稱美國海軍LaWS艦載光纖激光武器2011年7月19日成功擊落四架無人機。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，2017年8月在新墨西哥州的白沙瓦導彈靶場一次擊落五架“放逐者”無人機，所用的激光功率據說是30千瓦。

四. 我國量子-光纖激光器發展概況

我國的一些研究院、所和高等院校緊跟國際科技發展前沿，在國家中、長期科技發展規劃、973計劃、863計劃和國家自然科學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，有的還超過了國際的先進水平。

1. 0.8—1.0μm波段高功率應變量子阱激光器

2000年就報道了：發射波長在0.8—1.0μm波段的激光器采用InAlGaAs材料作為量子阱發光區，量子阱壘層通常采用GaAs，AlGaAs或InGaAsP材料，波導層材料通常為AlGaAs，InGaP或GaAsP。 對InGaAs/GaAs，InGaAs/AlInGaAs，InGaAs/InGaAsP和AlGaAs/AlInGaAs應變量子阱生長條件進行優化。 可研制出高性能、高功率的808nm、850nm、915nm、940nm、980nm的應變量子阱激光器。現在連續波功率已達千瓦級，作為光纖激光器的泵浦源。

長春光機所的808nm百瓦級連續波無鋁量子阱疊陣激光器達217瓦。

2. 我國半導體激光器發展歷程

1)   1963年長光所和半導體所研制出GaAs半導體激光。

2)   1970年上光所和半導體所研制出單異質結半導體激光。

3)   1976年上光所研制出室溫下雙異質結連續半導體激光。

4)   1981年半導體所研制出室溫連續波1.3μm半導體激光。

5)   1993年半導體所研制出GaInAs垂直腔面發射激光器。

6)   1999年120mW大功率半導體激光器壽命超過10萬小時。

3. 我國量子阱激光器的發展概況

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

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

3)   中科院半導體所研制出InGaSb/AlGaAsSb應變量子阱激光器。波長1.995μm，激射譜半高寬0.35nm。室溫連續功率達到82.2mW，至80℃時CW功率達63.7mW。

4)   半導體所牛智川研制成功   2μm波段InGaSb／AlGaAsSb應變量子阱大功率激光器，單管器件室溫連續輸出功率達到1.62瓦、巴條組件的室溫連續功率16瓦。

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

銻化物量子阱激光器研究獲得重要進展，近年來，中科院半導體所牛智川研究團隊在國家973科研計劃、國家自然科學基金的支持下，創新設計金屬光柵側向耦合分布反饋（LC－DFB）結構成功實現了2μm波段高性能單模激光器，邊模抑制比達到53dB是目前同類器件的最高值，同時輸出功率達到40mW是目前同類器件的3倍以上。 “該單模激光器開創性提升邊模抑制比，為天基衛星載LIDAR系統和氣體檢測系統提供了有競爭力的光源器件”。

研究團隊創新采用數字合金法生長波導層等關鍵技術，研制成功2μm波段的InGaSb／AlGaAsSb應變量子阱大功率激光器，其單管器件的室溫連續輸出功率達到1.62瓦、巴條（線陣）激光器組件的室溫連續輸出功率16瓦，綜合性能達到國際一流水平并突破國外高功率半導體激光器出口限制規定的性能條款。

GaSb基InGaAsSb晶格匹配異質結量子阱的能帶帶隙可調范圍覆蓋了1.8μm～4.0μm的短波紅外區域。上述銻化物半導體激光器研究成果突破了短波紅外激光器技術領域長期卡脖子核心技術，將在危險氣體檢測、環境監測、醫療與激光加工等諸多高新技術產業發揮重要作用。

此外，半導體所還研制了應變補償量子級聯激光器：

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

2）  波長5.49μm，以InP為基，84K時達660mW，室溫46mW。

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

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

標志著我國紅外量子級聯激光器研究進入世界前列。

圖51. 半導體所量子級聯激光器的特性曲線

半導體所研制的激光器激光波長實現2.0-2.5μm范圍可控調節。制備的2.0μm窄條激光器（6μm×1.5mm）實現室溫連續激射，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110mW，閾值電流750mA，對應閾值電流密度低至150A/cm2，為目前已報道該體系半導體激光器的國際先進水平。

2019年最新進展：中紅外2-3.5μm波段激光器在氣體檢測、環境監測、激光制導、紅外對抗、激光雷達等諸多領域有著十分廣泛而重要的應用，工作電流450mA時激射波長1.995μm，激射譜半高寬0.35nm。室溫連續工作下出光功率達到82.2mW。進一步提高工作溫度至80℃時激光器仍可以連續工作，出光功率達到63.7mW，是目前已有報道的最好結果。

中科院上海微系統與信息技術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襯底上構筑不含銻的InAs多量子阱結構，

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

圖52. 上海微系統與信息技術所GaAsBi激光器室溫激射譜和結構示意圖

4. 我國量子點激光器研究成果

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

（二）研制成功當時國際領先水平的大功率量子點激光材料和器件

(1) 優化設計使～980nm量子點激光器達國際水平；

(2) 創新性地設計了InAs/InGaAs/GaAs三層垂直耦合量子點復合結構，提高了量子點的發光效率；

(3) 首次采用退火來精確控制量子點激光器的輸出波長，提高了成品率；

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

（三） 研制成功當時國際最好水平的InAlAs/AlGaAs紅光量子點激光器

（1）優化結構和生長條件，研制出多層耦合結構；

（2）低溫下還獲得波長750nm和707nm的輸出；

（四） InAs/InAlAs/InP斜對準量子線超晶格研究獲得突破

（五）提出了耦合InAs量子點中載流子有效弛豫和激子熱發射的新模型

（六）論文發表、被收錄及引用

研究人員繼續獲得國家973、863、自然科學基金重大項目的支

持，正開展更深入、廣泛的研究工作，為取得更加豐富的成果。

圖53. 半導體所的可調諧外腔量子點激光譜線

2009年半導體所 InAs/GaAs自組織量子點增益器件  (1141.6 nm到  1251.7 nm)，該激光器采用 InAs/GaAs自組織量子點增益器件(腔面未鍍膜)、光柵反饋Littrow外腔構型。可用于波分復用光纖通信、高分辨率光譜分析、計量檢測、生物醫學、環境監測等領域。

5. 我國光纖激光器發展概況

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

2)   2003年南開大學用100KW調Q，得到范圍  60nm 可調諧脈沖。

3)   2003年11月上海光機所摻鐿雙包層得到輸出功率 107 瓦。

4)   2004年南開大學連續泵浦得到206KW調Q脈沖激光。

5)   2004年12月上海光機所摻鐿雙包層得到輸出功率達 440 瓦。

6)   2005年西安光機所研制的光子晶體光纖激光器功率達98瓦。

7)   2007年趙衛等報道了被動鎖模摻鐿 8 字型腔光纖激光器。 整體水平與國外有一定差距，但落后時間不長。

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

9)   2012年，國內首臺擁有自主知識產權的1000W工業級光 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，通過了省級科技成果鑒定。鑒定專家組主任委員、中國光學學會理事長周炳琨院士指出，這項技術填補了國內空白，達到國際先進水平，獲得4項國家發明專利。

6. 我國的量子-光纖激光器企業

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（2007.6.）

7)    西安炬光科技（2009.9.）等

8)    華工科技（王肇中）投資6000萬元（4000瓦）

9)    長光華芯   915nm，（1500瓦）

10)    大族激光

11)    銳科激光   915nm，（4000瓦）

12)    創鑫激光   915nm， （3000瓦）

圖54.

深圳一家公司利用全無銦金錫焊料封裝工藝技術，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。結心溫度由55度C降到35度C。GS04-5型（5個巴條）在QCW（QCW quasi-continuous  wave準連續波）下通常運行指標：1500瓦、200μs、20 Hz。波長 ：803.54 nm。

圖55. 2.5克傳導冷卻疊陣激光器的特性曲線和壽命、環境試驗

7. 正待開展的研究內容

一.  器件研制

1.  量子級聯激光器

1）15—1000μm波長的連續可調拓展

2）功率和效率的提升

2.  量子阱、量子點激光器 、光子晶體

1）可見光、紅外、紫外波段拓展

2）功率和效率的提升和光子存儲

二.  應用研究

1.  直接應用：

2.  雷達、跟蹤、制導

3.  工業加工、激光生物、醫療、激光武器

三.  理論研究

1.  光子-能量存儲器的光子晶體理論研究

由于本人知識水平和所收集資料有限，上述內容有不妥之處，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容很豐富的報告。這些東西我們國家是有，但是我們所尚沒有做，單老師只是傳遞給了我們一些資料和信息，下面就請大家發表自己的看法

王庚辰：我們不做激光器，但是用激光器，大概是1962年就開始了，主要是和人家協作，在地面用,也在衛星上用，所以我們遇到了很大的問題，限制了我們很多地方的應用。對量子光纖激光器，從使用的角度我們非常感興趣，應用的范圍很寬，但主要集中在1-15微米范圍。這個量子激光器應該是哪一種？是單模的還是多模的？另外就是譜線的寬度應該是越窄越好，10納米對我們來說是有點寬了，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到多少？能不能做到比10納米更窄？10微米范圍以內是不是能夠找到可用的量子光纖激光器？最高重復頻率可以達到多少？

單煥炎：量子激光器體積很小，能夠用于不同的探測，包括雷達或者大氣探測，安徽光機所已經做了，甚至已經在南極站用上了，就像氣象觀測站一樣，可測量大氣的成分，你可以提要什么波長，要什么參數指標，向一些企業提出要求，因為現在并不是什么指標都能達到，原來我們用的紅光量子激光器，我向企業提出要多大功率、什么波長、參數等，企業會根據你的要求將芯片封裝好，只要把你的信號輸入進去激光就出來了。

現在企業就是這么服務到家，有些企業就是這樣，不能說每一個波長都能做到，比如15-1000微米，理論上可以調諧，但是到現在為止還不能在整個波段連續可調，只能分段可調,在幾個波段范圍，波長可以調諧了，功率能不能達到你的要求，你要的調制頻率和帶寬，符不符合你的要求，不提出來的話不知道你要什么，現在能做到什么程度，能夠用到藥品等檢測上。一些公司不知道用戶需要什么樣的參數指標，你們要的帶寬是多少，波長和重復率是多少等，不見得都可以滿足，但是企業可以按照你的要求，能夠做到的會盡量做到。

何遠光：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展趨勢是什么？目前的難點在什么地方？我們應該往哪個方向發展？我們想聽一聽這個學科的發展怎么樣，有沒有什么需要解決的前沿科學技術問題，對科研來講應該做什么樣的科研布局，希望聽一聽這方面的意見。

單煥炎：量子激光器單個量子點可以達到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的，可以達到幾十瓦甚至上百瓦的功率，輸出到光纖激光器的內包層里面，從量子激光器出來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包層里面輸入，就可以獲得更高功率、單模和不同波長的光纖激光輸出。因為光纖芯里面的激活介質不同輸出的波長就不一樣，可以不斷地把這個功率放大，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，用于加工和醫療各個方面，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星上面，專門對付導彈、衛星，剛發射出來的導彈我們就可以對付，要是導彈飛到我的國土上再對付的話就已經晚了。因為波長可以改變，參數也可以改變，可以替代現在傳統的氣體激光器和固體激光器的用途，因為比較簡單、輕便、耐用。

鈕得祿：目前點量子激光噐最大輸出可做到120W，幾千個點激光器集成起來就不得了。研制這種高功率激光武器有二大難點，一個是材料，我國研制的激光武器材料是硼鈹鉀（KBBF），我們都未聽到過，另一個難點是微納米光刻技術。國外光刻機已做到7納米，現在我國納米光刻機已做到25納米。點量子激光噐還可以做成高功率焊接機。像飛機上的高速發動機，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，應用在生物學中，所用的集成先可在血管中運動。點量子激光器己成功的應用在白動駕駛汽車中。它的應用可以說非常廣泛。

王玉富：我是半導體所的，很高興參加這次沙龍。我們所現在是十三個室級單位，七個是光電子學，這個學科是我們所的重點方向之一。11月22日我們也要辦沙龍，其中有一個報告就是量子級聯激光器，就是以半導體的微結構為基礎進行量子功能設計，又有級聯特征、光電性能的可調控激光器，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怎么做激光器的科研工作，現在發展到了什么情況？有著什么樣的發展前景？雖然我本人不是搞這個專業的，但是覺得這是一個重要的發展方向，光芯片產業現在做得越來越大，特別是伴隨著5G通訊、數據處理、大數據年代的到來，半導體光電子的重要性越來越大，在整個數據領域當中都在慢慢侵蝕原來的IC領地。因此，這是一個重要的發展方向。歡迎大家參加我們22日的沙龍。

李悌興：剛才聽了單老師做的精彩報告，對于量子激光器、光纖激光器和量子光纖激光器的工作原理、發展狀況和應用前景有了比較系統的了解，受益匪淺。近來我比較感興趣的是激光武器。單老師報道的美國人三十千瓦的艦載光纖激光武器已經可以打下無人機，但那個無人機是在500米以下，500米以上就不行了。據老單的報告，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造。我聽了今天的報告后，感覺激光方面的發展很快，也做了很多儀器。搞這種儀器是相當難的。我們單位要搞一個地震儀，在地面測量的地震儀好研制，在井下測量的地震儀，就是在一兩百米地下測量的地震儀比較難，現在又在搞海底地震儀，其目的就是測量海底地下的礦藏和石油。現在回頭來看我們國家的儀器的發展，尤其是自己研制的儀器的發展，還是非常快的，是我們值得驕傲的。聽了今天的學術沙龍的主旨報告，我想問激光器最小的功率是多少、最大的功率是多少？比如微創手術大體需要多大功率？高空飛機又需有多大功率？要是打飛機的話，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，太大的話會損傷人體器官，各種激光器的參數指標是不一樣的，比如激光武器要求的能量為107焦爾、作用時間是5微秒，光束發散角是0.5毫弧度，激光武器主要參數指標大概是這么幾個，這個能量是很高的。 現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，假如我們做一個透鏡，這個透鏡的直徑是1米，200μm的光纖可以捆多少光纖在這里？就用這個透鏡把大批光纖出來的光聚焦，正對著你的目標打過去，每根光纖承受的功率就可以大大下降。氣象探測的話可能幾瓦就夠了，發射一個光束出去接收一個光子回來，幾瓦功率就夠了，但是有峰值功率的要求，要看測多大距離、測多大范圍，需要根據你的用途。

有人說激光武器很厲害，打到3000公里，每平方厘米35000焦耳，不管怎么說光束都是發散的，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之間的交流。企業現在可以自己整體設計，把控制部分與芯片封裝在一起，這個芯片只有這么大，但是賣得貴，單個量子激光器很小，用光纖耦合輸出，光纖再和光纖聚合起來，這個能量就可以變得很大。因為每個芯片很小、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題目，因為認為是前沿科技，但我們所還沒有搞，希望研究一下是否做。單老師通過調查大量的文獻資料，也有很多量子力學方面的基礎知識，提出一些看法。大家可以互相交流，各抒己見，有不同意見也可以，請大家出謀劃策，提些建議，這樣就可以把建議搞得更扎實一點。我覺得，量子激光器、光纖激光器講得比較清楚，二者的結合講得還不太清楚。半導體所這方面搞得比較多，其它的應用包括大氣測量，有沒有什么要求和體會？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，這個領域我是一個外行，單老師介紹的基本概念、基本理論比較透徹，也在這個領域增長了一些新的知識。我們天文臺原來研制人造衛星(月球)激光測距儀，就是利用紅寶石固體激光器打到地球衛星上面的角反射器上面,接收回波,探測距離，通過大量的數據獲得觀測站至衛星(月球)之間的距離，進行地球動力學,天體力學的研究，就是應用的激光器。單老師介紹的新型固體量子纖維激光器，也讓我們增長了新的知識，原來固體的是紅寶石激光器，體積非常龐大，儲存設備也很大，將來是不是能夠改進？再就是量子存儲器是新的課題，因為存儲器有很多，電容存儲器、量子存儲器有待探討。量子激光器在國防通訊和激光武器方面，我們國家也做了大量的工作，這方面肯定是有人做的，相信不會和國外差得太遠。現在我們有很多新的東西，就是要看有關部門怎么分工合作，我國搞半導體激光器方面，就有半導體研究所,長春光機所、上海光機所、深圳和山東大學等等，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激光應用部門，原來我們就是用激光器處理材料表面，增強增韌和表面改性在各個領域都有應用。在工業應用中，對激光設備有一定要求，我們采用的是YAG激光，設備的體積已經比較小了，但是到工廠里運行還是比較費勁，要有專門的操作間需要維護，所以激光的工業推廣應用需要激光器不斷地改進。量子光纖激光器的出現，將會使得激光器在未來有更廣的應用。

今天我是受了很大的教育，科普了激光器的發展。如果像王玉富同志所說，半導體所的沙龍能夠更進一步地介紹他們在這方面進展的話，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點，但是沒有講它的缺點，它在應用方面到底有哪些限制？一個新技術的發展還會有很多的問題，我覺得還沒有聽到。

今天知道了電子所原來有不少研究人員在做激光器，現在不知道電子所還有沒有人在做激光器的？就是那種最新型的量子光纖激光器（當然，半導體所肯定在做）。我們院內有那么多的應用激光器的單位，包括大氣所、地質所、天文臺，但是他們需要的是集成后的雷達裝置。電子所在研制雷達方面應該很厲害，記得你們還有一個雷達衛星在做。我們科學院是不是能夠加速這種集成過程？要是能夠把院內各個方面的力量（例如半導體所、電子所）集成起來，不僅只是各部門在研制發展器件，而是通過一定的機制把它們綜合成為大型裝置。我們就可以在科研成果的轉化方面加速一些，需求都有了（大氣所，地質所，天文臺等等），再有集成的話，也許創新成果就會更好一點。

洪延超：激光可以用于大氣探測，例如測云底高度。目前，人工增雨是向云中引入一些催化劑，改變云中降水形成過程，來增加地面的降水。最近有人做了實驗，說聲波可以加速云中粒子的碰并過程，將來有條件的話是不是可以用激光做試驗？單老師花了很多精力調研國內外激光器的制作情況以及發展過程，自己也有設想，可以研制一種新的激光器，將來是不是可以研制出這樣的激光器？輸出的各種參數相比其它激光器應該會更好一些。單老師因為了解激光領域的情況，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，哪怕有個初步的設計方案，可以再進一步開個專題研討會，征求一下國內同行專家的意見，提出什么條件下我們可以進一步來做這件事情？只要有這樣的設想，又是可行的話，政府應該是會支持的。

林世昌：我覺得這樣很好，單老師也是在電子所老科協專家建議座談會上提出來的，要是能夠把這個范圍擴大，內容更加充實就更好，有的單位已經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。

洪延超：我們可以向北京科協申請高端論壇，就是量子光纖激光器方面的論壇。

單煥炎：光纖激光器有沒有什么問題？現在也不能說一點問題都沒有，從量子激光器耦合到光纖激光器問題不太大，但是要把光纖和光纖之間相互組合，現在有的已經做得很好，我們自己是不是能夠做到？這是一個技術問題，人家做到耦合效率百分之九十八，光纖本身很細，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，這是一個工藝的問題，但是現在這些問題看來是可以解決的。

王庚辰：歷史上看，很多國家研究激光武器都失敗了，因為發出的激光在大氣當中運行，別說一千公里、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大大降低。所以我建議激光藥可調諧的，要是這激光不可調諧的話，激光武器就是無稽之談。很多國家激光武器失敗就在這里，平時計算做得很好，一到實際打擊應用遇到不利的氣象條件馬上就失敗了。

宋家駿：由于時間限制，我們的討論就到此，下面請蔡榕書記講話。

蔡 榕：各位都是前輩，今天來了以后學到了很多東西。院里的要求是希望我們把這個創新鏈拉長，今天也給了我們一個啟示，或者需要我們認真考慮清楚，我們搞光學工程是不是要做到材料、器件？從那里開始往下做？因為現在空天信息院做器件的、做平臺的、做探測設備的，包括光學相機和雷達都有，后面還有信息的處理、信息的深挖，一直到直接為用戶服務。成立空天院的主要目的就是希望把創新鏈拉長，服務能夠直接面向用戶，這個長度是不是夠？我們也沒有想得很清楚，我們最近也在組織空天信息院“十四五”的戰略規劃，按照原來院里的想法，好像我們都是八個十個方向都很重要，很難說哪一個就是應該集中力量往前走的。

當然，我們還是在不斷地凝練和迭代的過程當中，希望各位老領導、老專家給我們空天信息院未來的發展提出重要的意見和建議，特別是對我們主攻方向、主要學科點給予指導和幫助。

我們干著眼前的事情，還是要想清楚未來空天信息院是什么樣子，應該是怎樣的科研機構，能夠體現我們國家戰略科技力量的作用和地位。現在起的名字叫做空天信息，但是這個名字非常大，現有的內涵還不足以涵蓋空天信息所有的內容，我們自己怎么定位，我們自己如何發展，然后做出有特色的，符合戰略科技力量定位的工作，這些對我們來講也是非常重要的事情。希望在座的各位老領導、老同志、老專家給我們建言獻策，并且在相關工作當中給予我們全力的支持。

何遠光：這里還想對沙龍提出一點希望。我們的沙龍是學術前沿沙龍，單老師對量子激光器和光纖激光器融合提得稍微少了一點，背景講的太多了。當然，我的理解就是把量子激光器作為一個泵浦光源打入光纖激光器，這樣出來的能量更大更好，在這種情況下肯定就要解決一系列的技術問題和材料問題。沙龍選題方面應該更好地結合空天創新研究院的學科發展，報告也要更多地涉及學術發展前沿性的問題。要堅持開門辦沙龍，今天請的專業人士太少了，碰撞顯得不夠。要把科學院有關的專家集中起來討論某一個問題，這樣做對這個學科的發展更有效。

感謝報告人，也感謝在座的各位同志參加老科協沙龍，希望今后電子所分會老科協的工作在蔡榕書記領導下做得更好。

桂文莊：今天單老師的報告信息量很大，比較全面和系統地介紹了量子激光器有關的技術、科學原理和應用。這次沙龍的目的是不是要為我們將來空天信息研究院在這個方向的發展做一些啟發性、引導性的討論？報告讓我們了解到了量子激光器現在發展到了什么狀態，但是怎么緊扣空天信息研究院將來的發展討論不夠。我院在量子激光器方面已經有了很多工作。量子激光器從量子阱一直到量子點、級聯激光器都有部署。量子激光器是半導體所的一個主要研究方向，他們的量子阱激光器做得非常好，2005年他們做出量子點激光器。在光纖激光器方面，上海光機所和西安光機所都做了大量的工作，半導體所也做了。上海光機所做得比較多，據說大概是20千瓦以上的很早就做出來了。西安做的光子晶體激光器我還不太了解，還是第一次聽單老師講這個事情。量子級聯激光器上海微系統所、半導體所都有研究，上海研制的16微米工作做得很好，用于太赫茲源，后來他們成立了太赫茲的院重點實驗室。垂直腔面發射激光器半長春光機所做得非常好，也是2005年以前的事情。所以說，我們院里已經有了長期的研究部署。空天信息研究院在考慮部署這些事情的時候一定要考慮到全院已有的布局和我們怎樣在里面做好定位。

量子激光器主要的難度還是在設備和工藝，這一大套半導體設備，搞起來不是一件簡單的事情。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部分，花費是非常之大的，這些都是值得做規劃的時候好好考慮的。我們討論這件事情要從光電信息院整體出發，當時電子所激光器做得很好，做的是高功率二氧化碳激光器。當時院里就是兩家，一家是長春光機所，一家是電子所，兩家還在不斷PK。現在怎么繼續往下做不太清楚，可能空天信息院要好好研究。最重要的是要應用需求驅動來部署和規劃我們將來的發展，不是說這個東西好就要去做，我們應該做出自己的特色，就是自己在應用上的不可替代性。今天的沙龍討論我們空天院電子所這部分，未來激光這件事情上該怎么發展，也許我們應該在面向應用需求的前提下，集成現在已經發展起來的技術。

2005年以前我國做激光器哪有什么企業？現在已經有不少企業都做得很好，什么指標什么性能都有，情況已經大不相同。所以，我們考慮研究所的布局時，也要考慮到全國企業發展的狀態。這個沙龍一般只有半天時間，大家對很多問題沒有特別深入的探討，多多少少有點科普的性質。我們辦沙龍的目的是要真正地討論一些科學技術問題，甚至現在還在爭議的問題，圍繞這些問題進行深入的討論。

朱敏慧：有關激光技術在電子所發展的問題，在近十年電子所學術委員會討論了多次，希望將我所技術優勢合成孔徑雷達系統和激光技術結合起來，能夠向系統方向發展，即發展激光合成孔徑雷達和光-微波雷達，現在已經有了進展。

現在我們是在發展探測技術，擴大人類對這個世界的認知工具，沿著聲波-微波毫米波太赫茲-光子量子技術，站在這樣一個高度思考。隨著現代高新技術顛覆性技術不斷擁現，我們應該怎么來搞？我們電子所搞微波毫米波的空天地應用，微波毫米波的技術和設備如合成孔徑雷達的角度來講，實際上也有技術成熟，也有一個臨界和極限問題。剛才講的激光也是存在這樣的問題。過去微電子所領導也跟我們交流了很多次，微波射頻部分怎么作到芯片上？今天的發展實際上也是往這個上面努力。實際上主要就是兩個問題：從元器件方面講一個是材料、另一個是工藝制造問題；從系統關鍵問題講，重點在發現定位精確打擊。作為科學院單位我們在探測設備和技術方面有優勢也有劣處，那么我們的發展該往哪個方向？比如我們到大灣區分院發展太赫茲技術，切入口和重點應該發展什么？未來發展趨勢究竟在哪兒？是需要我們認證和梳理清楚。

科學院的空天院一定要有自己的特色。我們科學院的空天信息研究院到底要搞什么？在科學院空間科學是在國內占絕對領先的，空天信息院目標能否和空間科學相結合？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，我院高技術局就開始在半導體所、微電子所等所很早部署了，空天信息院怎么和空間科學結合？這些應該可以作為一個主要的方向。實際上這是要做很大量的調研和認證工作，真的是站在國家的層面來考慮發展問題，現在有的時候太可怕了，一樣東西說得好的不得了，浪費了大量人力和物力，沒有全局觀念，其實都是因為背后某些利益集團的作祟。

陳至立曾經跟我們說過一句話，在判斷有所為有所不為時，最難辦的就是有所不為，有些方向還是有偏廢的，很多頂級的科學家只能在他這個領域發聲，而且領導很容易聽到，另外的聲音就聽不見。如20年前我們就提出海洋強國海洋強軍思想，雷達朝向海洋應用方向發展，高校相關的專業很少，1997年籌備國防重點實驗室的時候主要目標就是發展海洋探測技術，但因為這方面頂尖專家少，難以得到支持，當然現在已經得到大家公認，有了強力度支持和大發展。

我希望再也不要以拿到多少錢來衡量，這樣的話基礎性和前瞻性研究是沒人做也做不好的，過去我們真的是沒錢，國家實驗室就是一兩萬塊錢還在那里做事情，看起來沒有什么經濟效益但有前瞻性的工作就是要部署。

張志林：根據蔡榕老師提的空天院的發展方向問題和敏慧老師剛才的發言，我說一點意見：八十年代中國科學院最低谷的時期，光召院長在深入調研以后說了一段話：我們院一定要集中優勢，做出特色，在科技五路大軍所不能為、國家急需的地方，我們中國科學院必須努力做出貢獻!建議蔡榕老師在考慮空天院的發展方向時參考。

林世昌：由于時間關系，我們就不再繼續討論了。我們通過老科協的平臺有一些體會，要盡量搞出特色。今天幾位領導同志提出了對我們沙龍的要求，結合目前的前沿科學，也要結合我們單位的發展方向，這一點非常重要，我們要好好地領會和研究，以后我們還可以再接著搞。今天的會議非常熱烈，特別是領導和領導對我們的鼓勵和支持，老同志也有自己的想法和思路，希望對所里的工作有所促進。

今天的沙龍活動到此結束。最后要謝謝大家！