激光器是一种新型的发光器件，和前述的常见光源相比，有方向性强、单色性好、相干性好、亮度高等突出优点，因而应用广泛。
激光器概述
1.激光的基本特征
所谓激光，是指由原子（离子、分子等）系统受激辐射光放大形成的一种光子简并度很高的光辐射。所谓光子简并度，即某个状态（模式）中所具有的平均光子数，就称为该状态的光子简并度。对激光含义的这种表述，明确了：
（1）激光产生的物理机理是受激辐射（受激辐射放大）；
（2）不是一有受激辐射放大的光辐射就是激光，该受激辐射放大过程必须使光辐射的光子简并度达到足够高的值。
激光的最为基本的特性是：其光辐射能量在量子状态（模式）上的高度集中性，即高光子简并度。由于激光具有高光子简并度这一基本特性，因而
- 反映在空间，显示出了好的方向性与空间相干性；
- 反映在频域，显示出了好的单色性与时间相干性；
- 反映在时域，显示出了好的超短性；
- 反映在能量的可集中性上，显示出了很高的单色亮度。
由上述可知，高光子简并度才是激光最为基本的特性，而好的方向性、好的单色性、好的空间与时间相干性等仅是高光子简并度这一基本特性在不同方面的反应。这是因为光束的方向性、单色性、空间与时间相干性等，都可以通过一个适当的普通光学系统加以提高，但无法通过一个普通的光学系统提高光束的光子简并度。
为了能对激光的高光子简并度这一基本特性有更深刻的理解，我们将激光与原子能技术做一对比：原子能，作为一种新型能源，与相同的普通能源（如煤）相比，其所释放的能量可以有成亿倍的提高；激光作为一种新型光源，与相同功率的普通光源（如电灯）相比，其所发射的光能量并不能提高，而是光能量在状态（模式）上有了成亿倍的集中，也就是其光子简并度（单色亮度）可以有成亿倍的提高。
因此，激光的出现，其重要的应用意义在于：
（1）使信息技术从无线电波段全面推进到了光频波段。因为光是信息的重要载体，通过激光实现了10¹²b/s量级的极大信息容量，10¹²b/s量级的极快运算速度，10¹²b/cm3量级的极高存储密度，从而使我们进入了新的光信息时代。
（2）实现了光能量在空间、频率及时间上的高度集中，使光的亮度有了成亿倍的提高。因为光也是能量的重要载体，通过激光实现了1022W/cm²量级的极高功率、1014Pa量级的极高压强、10Ms量级的极短脉冲与极快可分辨过程、10¹²K量级的极高温度与10"K量级的极低温度、108nm量级的极窄频宽与极精密测量、108m量级的极小可聚焦光斑与极精密加工。因此，激光在工业、农业、商业、医疗卫生、文化教育及高技术研究等领域开辟了一系列重要的应用。
2.激光的产生
（1）受激辐射。图2-12表示了在原子的两个能级之间产生跃迁的吸收、自发发射和受激辐射的三个基本过程。设E1为基态，E2为激发态。这二能态之间的任何跃迁都伴随着发射或吸收频率为υ12、取决于两能态之间的能量差，即hvy12=E2-E1。常温下大部分原子处于基态，如果能量正好等于hVl2的光子碰击此系统时,处于能态E1上的原子会吸收光子而进入激发态E2,这就是吸收过程，如图2-12（a）所示。原子在激发态是不稳定的，在没有任何外界刺激的条件下，有自发返回基态的趋势，并放出能量为hv12的光子。这种原子从高能态自发地返回到低能态的过程称为自发发射（或自发辐射），如图2-12（b）所示。自发发射的特点是，每个原子的跃迁都是自发地独立进行，它们彼此毫无关系，因而发出是杂乱无章的非相干光。自发发射的寿命也就是原子处在激发态的平均时间，一般为109〜103s,寿命的长短取决于半导体参量，如禁带宽度（直接的或间接的）及复合中心的密度。另一种跃迁过程是，当能量为”12的入射光子激励己处于激发态的原子后，原子因受激而跃回基态，并发射出频率、相位和方向都与入射光子相同的能量为肘12的光子。这种过程称为受激辐射（或称为感生辐射），如图2-12（c）所示。
图2-12 能级间跃迁的基本过程
在激光物质中，外来的光子加12可以引起激发态原子的受激辐射，但也可能被基态原子所吸收，这两个过程是同时存在的，且受激辐射与吸收的概率可能具有相同的数量级。在常温下，基态原子比激发态原子多得多，故总吸收多于总发射。要产生激光，必须使总发射大于总吸收。因此，产生激光的必要条件之一是受激辐射占主导地位。
（2）分布反转（粒子数反转）。要使激光工作物质的受激辐射占优势，就必须从外部给工作物质输入能量，如光激励或正向PN结注入等，使处于激发态的载流子多于处于基态的载流子，也就是把载流子的正常分布倒转过来，称为分布反转状态（粒子数反转）。因此，分布反转是使受激辐射从次要地位转化为主导地位的必要条件。
使激光物质产生分布反转的方法很多，如固体激光器多釆用光谱适当的强光灯对激光物质进行照射；气体激光器多采用使气体电离的方法；而半导体激光器多采用注入载流子的方法,使处于基态的原子跃迁到激发态，并随着受激辐射的损耗，不断地补充高能原子。
（3）共振腔。激光物质发生分布反转后，尽管有增益作用，但还不足以产生激光。为使发射光束具有激光的特点，还必须产生“振荡”。产生振荡的方法是在激光物质的两侧放置相互平行的反射面，这种反射面组称为共振腔。自发发射的方向不与共振腔轴线平行的光子将被反射岀腔外，只有与轴线平行的自发发射光子才能促使形成受激辐射。也就是说，这些与腔轴平行的光子在腔内两个反射面上来回反射，反复地通过工作物质。依靠受激辐射，光子每通过一次工作物质便得到一次增益，使光子数不断增长。所以，共振腔是产生激光的又一必要条件。
受激辐射的光子在共振腔中来回多次反射的过程中，将因散射、透射、吸收等原因而受到损耗。如果光子在腔内来回一次所感生出来的光子数比损耗掉的多得多，即腔内增益超过损耗,便可产生激光振荡。同时，光在两反射面之间来回反射形成了两列相反方向传播的波，只有这两列波叠加而在腔内形成驻波时，这种振荡才是稳定的。也就是说，产生稳定振荡的条件是共振腔的长度丄恰好等于辐射光半波长的整数倍，即
式中，n为与波长λ对应的介质折射率；m为正整数（即为纵模指数）。对不同的m值，将有不同波长的驻波相对应。通常我们将在共振腔内沿腔轴方向形成的各种可能的驻波称为共振腔的纵模，如图2-13所示。
图2-13 共振腔中的驻波
此外由式（2-14）可知,谐振波长由有效折射率n和腔长L决定。因此，通过改变温度或者注入电流使折射率n发生改变，即可使得激射波长调谐到另一波长，于是就可得到可调谐的激光器：同样，也可通过电学、机械或微机电（MEMS）等手段来改变腔长丄，也可实现激光器的波长可调谐性。.
由于，λ=c/v,式（2-14）还可改写成
式中，v称为共振腔的共振频率或纵模频率。由此可以说明，共振腔只对共振频率有选择增益作用。
综上所述，要得到激光必须满足三个基本要求：
- 要把处于较低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去，为此需要泵源;
- 要有大量粒子分布反转，使受激辐射足以克服损耗；
- 要有一个共振腔提供正反馈及增益，用以维持受激辐射的持续振荡。
3.固、气、液体激光器
（1）气体激光器。气体激光器的工作物质是气体或金属蒸气，通过气体放电产生激励，实现粒子数反转。它的种类很多，波长覆盖了从紫外到远红外整个光谱区，目前已向两端扩展到X射线和毫米波波段。由于气体工作物质均匀性好，输出光束的质量相当高，其单色性和方向性一般优于固体和半导体激光器，是很好的相干光源。典型的气体激光器主要有如下三种。
①氦氖（He-Ne）激光器。工作物质是氦氖混合气，它利用气体电离的方法使粒子数反转，是一种原子气体激光器。它在激光器电极上，施加几千伏电压使气体放电。首先使氮电离，然后利用氮气电离时产生的电子去电离氤气。気気激光器能够发出三种波长的谱线（即0.6328μm、1.15μm,3.39μm）,其中最常用的是橘红色（λ=0.6328μm）的激光。
氦氖激光器具有如下优点。
- 单色性好，单模稳频気気激光器的谱线宽度只有1017m,颜色非常纯（波长稳定度为10一6左右），相干长度达几十km；
- 光束发散角很小，只有几毫弧度，激光束几乎是一条直线；紧凑，稳定性好；
- 使用方便。因此，它主要用于精密计量、全息术、准直测量等场合。
- 全外腔激光器的放电管与腔反射镜完全分开，窗口密封镜片形成布儒斯特窗。全外腔激光器的优点是：输出线偏振光；反射μμ镜可以随时调整，适于多种实验要求；受温度影响较小等。全外腔激光器的缺点是，经常需要调整，而调整技术又比较复杂，因而使用不便。
- 全内腔激光器的反射镜与放电管密封在一起，因此使用时不需调整谐振腔，用起来比较方便，但腔管受温度影响较大，输出不稳定。
- 半内腔激光器是一块反射镜与放电管固定一起，另一块反射镜则和放电管分开。它具有上述两种激光器的优点。
②氩离子（Ar+）激光器。工作物质是氩气，在低气压大电流下工作，因而激光管的结构及其材料都与He-Ne激光器不同。连续的氯离子激光在大电流的条件下运转，放电管需承受高温和离子的轰击，因此小功率放电管常用耐高温的熔石英做成，大功率放电管用高导热系数的石墨或BeO陶瓷做成。在放电管的抽向上加一均匀的磁场，使放电离子约束在放电管轴向附近。放电管外部通常用水冷却，以降低工作温度。
该激光器的输出谱线属于离子光谱线，主要波长有452.9nm、476.5nm、488.0nm、496.5nm、514.5nm。其中，488.0nm和514.5nm两条谱线为最强，约占总输出功率的80%。
③二氧化碳（CO2）激光器。工作物质是二氧化碳，掺入少量的N2和He等气体，是典型的分子气体激光器。激光器输出谱线波长分布在9〜11pm的红外区域，典型的波长为10.6pm。激光器的激励方式通常有低气压纵向激励和横向激励两种。低气压纵向激励激光器的结构与He-Ne激光器类似，但要求放电管外侧通水冷却，是气体激光器中连续输出功率最大和转换效率最髙的一种器件，输出功率从数十瓦至数千瓦。横向激励激光器可分为大气压横向激励和横流横向连续激励两种，其中大气压横向激励激光器是以脉冲放电方式工作的，输出能量大,峰值功率可达千兆瓦的数量级，脉冲宽度为2〜3μm,而横流横向连续激励激光器则可以获得几万瓦的输出功率。
二氧化碳激光器广泛应用于金属材料的切割、热处理、宝石加工和手术治疗等方面。
（2）固体激光器。固体激光器即激光工作物质是固体的激光器，具有输出能量大、峰值功率高、器件结构紧凑、便于与光纤耦合、使用寿命长、单元技术成熟与体积较气体激光器小等优点。它现在用于测量吸收光谱，如测量由污染物产生的瑞利和喇曼散射光谱，用于超长距离的测量，如人造卫星测距、地球到月球的测距等。固体激光器的主要缺陷是常用惰性气体放电灯泵浦效率低、热效应严重，从而限制了输出功率的进一步提高和光束质量的改善。常见有以下几种。
①红宝石激光器。它是发现最早、用途最广的晶体激光器。粉红色的红宝石是掺有0.05%铭离子（Cr3+）的氧化铝（AI2O3）单晶体。红宝石被磨成圆柱形的棒，棒的外表面经粗磨后可吸收激励光。棒的两个端面研磨后再抛光，使两个端面相互平行，并垂直于棒的轴线，再镀以多层介质膜，构成两面反射镜。其中，激光输出窗口为部分反射镜，其反射比约为0.9,另一个则为高反射比镜面。此外，作为激光器的激励源的脉冲氙灯安置与红宝石棒平行，它们两者分别位于内表面镀铝的椭圆柱体谐振腔的两个焦点上。脉冲氙灯的瞬时强烈闪光，借助于聚光镜腔体会聚到红宝石棒上，这样红宝石激光器就输出波长为694.3nm的脉冲红光。它釆用调δ工作方式，脉冲宽度为几毫秒量级，输出能量可达1〜100J,广泛用于激光测距与测速等系统中。20世纪60年代作者参与完成的人造卫星激光测距仪就是使用的这种激光器。
②玻璃激光器。常用被玻璃作为工作物质，它在闪光気灯的照射下，在L06卩m波长附近发射出很强的激光。铉玻璃的光学均匀性好，易做成大尺寸的工作物质，因而可用它做成大功率或大能量的固体激光器。
目前，利用掺饵（Er）玻璃制成的激光器，可产生对人眼安全的1.54μm的激光。
③YAG激光器。它是以钮铝石榴石为基质的激光器，随着掺杂的不同，可发出不同波长的激光。最常用的是掺钛（Nd）YAG,它可在脉冲或连续泵浦条件下产生激光，波长约为1.064μm。其他还有：掺钥的YAG,发出1.7μm的激光；掺钬（Ho）的YAG,发出2.1μm的激光；掺钕饵的YAG,它发出1.06μm和2.9μm双波长的激光；掺铬（Cr）铱（Ir）钦的YAG,发出2μm的激光；掺铬铥（Tm）饵的YAG,发出2.69μm的激光等。
（3）液体激光器。即工作物质为液体的激光器。它具有输出激光谱线宽、光束发散角小、激光输出波长可移动（可调谐）、某两种液体混合可输出新波长、激活离子密度大、增益系数高、能量转换效率高（可通过流体散热）、输出功率较高、光学均匀性好、冷却方便、价格较便宜等优点。但液体激光器本身用起来极为不方便，需要困难的手工操作和闭环泵浦，以避免热效应使激光器的特性遭到破坏，而且可以致癌，因而应用较少。
液体激光器常用的典型代表是染料激光器，它以染料为工作物质。将染料溶解于某种有机溶液中，在一种特定波长光的激发下，能发射一定带宽的荧光。某些染料，当在脉冲徹灯或其他激光的强光照射下，可成为具有放大特性的激活介质。用染料激活介质做成的激光器，在其谐振腔内放入色散元件，通过调谐色散元件的色散范围，可获得不同的输出波长，因而称为可调谐染料激光器。它在激光光谱学、激光化学、同位素分离等科研领域具有重要的应用价值。在激光医学上，其577nm波长可用来治疗血红癌（血红斑）；630nm波长可用来做血叶咻光动力学治疗；在激光娱乐、表演方面，它可以方便地提供绿光、黄光、红光等光源。
若釆用不同的染料溶液和激励光，染料激光器输出波长范围为320〜1000nm。染料激光器有连续和脉冲两种工作方式，连续工作方式输出稳定，线宽小，功率大于1W；而脉冲工作方式的输出功率高，脉冲输出能量可达120mJ。
半导体激光器
1.半导体激光器的特点与分类
半导体激光器是以半导体材料作为工作物质的激光器。它的工作物质有二元化合物（如GaAs、CdS）、三元化合物（如GaAlAs、PbSnTe）,四元化合物（如GalnAsP）等。激励方式有PN结注入电流激励、电子束激励、光激励、碰撞电离激励四种。其中，第一种激励方式的半导体激光器即激光二极管（LaserDiode,LD）,是目前技术最成熟、应用最广泛的器件。
LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。LD不仅能产生高功率（≥10mW）辐射，而且输岀光发散角窄，与单模光纤的耦合效率高（30%〜50%）,辐射光谱线窄（△λ=0.1〜l.0nm）,适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速（>20GHz）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。
自1970年，半导体激光器实现了室温下连续工作，1975年前后先后用于光盘机和光纤通信。此后，由于应用的驱动，人们对如何加强增益介质中电子与光子的相互作用、强化对电子和光子的限制等方面进行研究并取得了成功。在半导体激光器的增益介质方面，由所谓体材料发展到量子阱（QW）和正在研究的量子线及量子点，并由晶格匹配材料发展到应变材料；在激光器的谐振腔构建方面，由最初的普通法布里-珀罗（F-P）腔，发展到具有波长选择的分布反馈（DFB）、分布布拉格反射（DBR）、垂直腔、微腔及光栅外腔。这些手段使得激光器的阈值电流密度不断降低，激光线宽不断减少、转换效率等性能不断提高。
（1）半导体激光器的特点。半导体激光器具有如下的特点。
①体积最小，其产生激光的核心部分（芯片）各维的线度都在微米量级，封装后的体积最大也仅有火柴盒大小。
②质量最轻，一般在数十克。
③直接电注入产生激光，因此它是高效率的电子-光子转换器。理论上，内量子效率可达100%.实际上，由于增益介质中不可避免地存在注入电子和产生光子的损耗，但其功率效率也能达30%以上，是所有激光器中效率最高的。
④工作寿命最长，一般小功率半导体激光器的工作寿命能达数十万乃至百万小时。大功率半导体激光器也能连续工作数万小时。
⑤覆盖的波长范围最广。目前已能从不同的半导体材料中获得从紫外（约300nm）到中红外（十几微米）的一个很宽的激光频谱范围。
⑥结构最简单，一般的F-P腔半导体激光器，其腔面由晶体的自然解理面构成。分布反馈和分布布拉格反射结构也可在材料生长过程中一气呵成。驱动电流也直接加到芯片上。
⑦价格最便宜，与其他激光器相比，半导体激光器的价格最低。以小功率（约10mW）的半导体激光器为例，每个仅数美元。
⑧能方便地与光纤高效率耦合。由于其近场尺寸很小（微米量级），无须另加透镜等聚焦系统就可以与经微透镜处理的光纤直接高效耦合，其耦合损耗在3dB以下。这对包括光纤通信在内的许多应用均是重要的。
⑨具有直接调制的能力，能直接将电信号加于半导体激光器上得到所需的不失真的光信号。这无疑对包括光通信工程、光信息存储在内的光电子信息领域是非常重要的，也是半导体激光器独具优点之一。
⑩有与其他半导体光子器件或电子器件单片集成的能力。
正是由于上述一些独特的优点，半导体激光器的应用最广，如在国民经济的各个领域、国防建设的诸多重要方面都获得了广泛应用。
（2）半导体激光器的分类。半导体激光器的分类如图2-14（a）,作为它的重要组成部分的谐振腔和增益介质的分类，分别表示于图2-14（b）和图2-14（c）。
图2-14 半导体激光器及谐振腔和增益介质的分类
2.半导体激光器的主要特性参数
(1)LD的阈值与P-I特性。在激光器中，要维持激光振荡，不仅需要使光子的产生速率超过吸收速率，而且还要超过光子在结区的损耗率，这种刚好抵偿吸收与损耗的光子产生率处就是阈值。也就是说，阈值是半导体激光器内部增益与损耗(内部损耗和输出损耗)之间的平衡点。阈值之后的半导体激光器才开始有净增益。半导体激光器是直接注入电流产生辐射跃迁,最终得到激光输出，故它的阈值是以电流密度丿或电流/来表示的。
对所有应用来说，总是希望阈值越小越好，图2-15示岀了影响阈值的有关因素。
图2-15 影响半导体激光器阈值的有关因素
LD的FJ特性曲线如图2-16所示。LD有一阈值电流Ith,当I>Ith时，LD才发出激光；在Ith以上，光功率P随/线性增加。阈值电流是评定半导体激光器性能的一个主要参数，利用两段直线拟合法可对其进行测定。如图2-17所示，将阈值前与后的两段直线分别延长并相交，其交点所对应的电流即为阈值电流Ith。
图2-16 LD的P-I特性曲线 图2-17 两段直线拟合测量阀值
(2)LD的光谱特性。激光二极管的发射光谱取决于激光器光腔的特定参数，大多数常规的增益或折射率导引器件具有多个峰的光谱，如图2-18所示。激光二极管的波长可以定义为它的光谱的统计加权。在规定输出光功率时，光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波长被定义为峰值波长如,对诸如DFB、DBR型LD来说，它的λΡ相当明显。一个激光二极管能够维持的光谱线数目取决于光腔的结构和工作电流。
图2-18 LD的光谱特性曲线
(3)LD的效率。
①功率转换效率。激光器输出的光功率与激光器所消耗的电功率之比，即器件消耗单位电功率的输出光功率为
式中，ηp是一个重要参量。低的阈值电流Ith和相应低的工作电流/、低的串联电阻(特别是低的欧姆接触电阻)rs都有助于提高，np。
由式(2-16)也可看岀，在半导体激光器上所加的电压约为Eg+Irs。如Eg=1.42eV为有源层，所加电压约为1.42V+Irs,因此加载于半导体激光器的直流电压只有数伏特。
②外微分量子效率。外微分量子效率定义为
对于泵浦的半导体激光器，〃d是最重要的参量。由于电子注入速率增加而引起输出光子速率增加的线性范围是有限的，注入电流超过某一值后，激光器的增益处于饱和，同时最大输岀功率受到热积累的限制。因热积累使结温升高，使热载流子泄漏增加，从而使加下降。
（4）LD的调制特性。当在规定的直流正向工作电流下，对LD进行模拟信号电流调制，便可实现对输出光功率的调制。由于调制过程的损耗，相对直流的调制响应（度）随频率的增加而下降。
要想提高调制频率，可从下面几个方面着手。
- 提高微分增益；
- 提高载流子由有源区到限制层的逸出时间；
- 提高光子密度（输出功率）；
- 降低载流子越过限制层的渡越时间；
- 降低增益抑制因子；
- 减小光子寿命；
- 减小器件尺寸；
- 减小器件寄生参量。
（5）LD的模式。LD的模式分为空间模和纵模（轴模）。空间模描述围绕输出光束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强（或光功率）的分布，也称为远场分布：纵模则表示一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率（或波长）分量上的分布。二者都可能是单模或者多个模式（多模）。边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质结平面方向（称为横向）和平行于结平面方向（称为侧向）有不同的波导结构和光场限制情况。横向上都是异质结构成的折射率波导，而在侧向目前多是折射率波导，但也可釆取增益波导，因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。图2-19表示这两种空间模式。
图2-19 半导体激光器横模与侧模
由于有源层厚度很薄（约为0.15μm）,因而能保证在单横模工作。而在侧向，则其宽度相对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模。如果在这两个方向都能以单模（或称为基模）工作，则为理想的TEMoo模，此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。这种光束的光束发散角最小、亮度最高，能与光纤有效耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到较小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。相反，若有源区宽度较宽，则发光面上的光场（称为近场）在侧向表现出多光丝，好像一些并行的发光丝，在远场的侧向则有对应的光强分布，如图2-20所示。这种多侧模的出现，以及它的不稳定性，易使激光器的八/特性曲线发生“扭折”，使P-1曲线线性变坏，这对信号的模拟调制不利。同时，多侧模也影响与光纤高效率的耦合，侧模的不稳定性也影响出纤功率的稳定性，不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。
图2-20 有多侧模的半导体激光器的近场和远场
由于LD发光区几何尺寸的不对称，其远场呈椭圆状，其长、短轴分别对应于横向与侧向。在许多应用中需用光学系统对这种非圆对称的远场光斑进行圆化处理，因此，半导体激光束的相干性较差。而垂直腔表面发射激光器（VCSEL）则可以发射出圆形光束。
3.几种典型的半导体激光器
由半导体激光器的类型可知，其种类很多，不可能一一介绍，这里只介绍市面上常用的两种最基本的半导体激光器。其他的如量子阱、垂直腔表面发射激光器（VCSEL）、微腔激光器等可参阅本书参考文献[1,2]。
图2-21 结型激光器的结构
（1）PN结型二极管注入式激光器。结型激光器的结构如图2-21所示。激光器工作物质为GaAs,将工作物质制成PN结并切成长方块。为实现分布反转，结区的两侧都要求是重掺杂半导体材料，杂质浓度一般为1018~10I9cm3,使费米能级分别进入导带及价带内。图2-21中，左右两侧是二极管的辐射输出端面。由一对相互平行的解理面或抛光面构成，并与结平面垂直，这对平面构成了端部反射器。其余的前后两面是粗糙的，用来消除主要方向以外的激光作用。这种结构叫作法布里-珀罗共振腔。然后焊上引出线，供给二极管的电流从引线流向散热器。结型激光器所用的半导体材料是重掺杂P区价带顶没有电子，N区导带底有高的电子浓度。当PN结加上正向偏压后，势垒降低，能带结构变为图2-22（b）所示，外加电压V使N区和P区的费米能级分开，并分别进入导带和价带内。由于势垒降低，大量电子由N区越过势垒与P区的空穴复合，发射出能量等于肘的光子。空穴也可由P区流入N区与电子复合发射光子。当外加电压足够大（qV≥Eg）,使hv≥Eg时,在势垒区和射光子。当外加电压足够大（qV>Eg），使 hv>Eg时，在势垒区和它两侧一个扩散长度范围内，将出现一个分布反转区，这就是发射激光的工作区，再加上端面反射反馈便会产生激光。
图 2-22 结型激光器能带图
结型半导体激光器的阈值电流都比较高。例如GaAs激光器，在T=4.2K时，Ith=130A/cm²,室温下Ith>106A/cm²。由于激光器工作时需要的电流很大，电流通过结和串联电阻时，将使结的温度上升，这又导致阈值电流上升，因此，这种激光器多在低温下使用。一般，阈值电流很高的激光器，通常用脉冲电流来激励，以降低平均热损耗。
结型激光器的频谱分布取决于半导体材料，如GaAs激光器的输出波长在77K时为840nm,InP在30K时为910nm。当温度升高时，其受激辐射谱线将向长波方向移动。
（2）异质结半导体激光器。由于PN结（同质结）激光器在室温下阈值电流很高，不能实现室温下的连续振荡，在很大程度上限制了它的应用。为了降低激光器在室温下的阈值电流,实现室温下连续振荡，在较窄禁带宽度材料的两侧加上较宽禁带宽度的材料构成异质结，以限制载流子。由于这种限制作用，增加了结区载流子浓度，从而提高受激辐射的效率。
①单异质结激光器。其结构如图2-23所示。在GaAs的PN结上，用分子束外延或液相外延法得到GaAs-AlGai-As异质结。由于GaAs和AlGa1-xAs禁带宽度不同，因而在界面处形成了较高的势垒，使从N-GaAs注入P-GaAs中的电子在继续向P-AlGa1-As扩散时受到阻碍，同没有这种势垒存在时比较，P-GaAs层内的电子浓度增大，辐射复合的概率也就提高了。再者，P 型铝镓砷对来自 P 型 GaAs的发光吸收系数小，损耗也就小。由于铝镓砷的折射率较砷化镓低，因而限制了光子进入铝镓砷区，使光受到反射而局限在P-GaAs区内，从而减少了周围非受激区对光的吸收。由于电子和光子在异质结面上都受到了限制，减小了损耗，因而降低了阈值。
图2-23 单异质结激光二极管
单异质结激光器在低温下阈值电流密度与同质结差不多，但在温度变化时，异质结激光器的阈值随温度的变化较小，如室温下的阈值电流密度可降至8000A/cm²，但也只能实现室温下的脉冲振荡。为进一步降低阈值电流，实现室温下的连续振荡，研制了双异质结激光器。
②双异质结激光器。其结构如图2-24所示，在GaAs的一侧为N型AlxGai-xAs,另一侧为P型AlxGai-xAs。作用区两侧具有对称性，因而激光作用区在N型或P型处皆可。以P型为例，加正向偏压时，电子注入作用区到达P-GaAs和P-AlxGai-xAs界面，受到势垒的阻挡而返回，不能进入P型AlxGai-xAs层中去，从而增加了P型GaAs层中的电子浓度，提高了增益。又由于N型AlxGa患As与P型GaAs之间的势垒避免了单异质结激光器存在的空穴注入现象,使工作区电子、空穴浓度更大，复合概率增加。另外，由于两个界面处折射率都发生较大突变，所以光子被更有效地限制在作用区内，因此，双异质结激光器的阈值电流进一步降低到1000〜3000A/cm2,实现了室温下的连续振荡。
图2-24双异质结激光二极管
实验证明，阈值电流随温度的变化也较小。目前，异质结激光器的主要改进方向是进一步降低阈值电流密度和提高效率，以及获得与固体和气体激光器相近的光束相干性和方向性。另外，用其他半导体材料做成双异质结并扩展异质结激光器的光谱波段也是一个很重要的发展方向。
除上述半导体激光器外，还有量子激光器（量子阱、量子线、量子点激光器）、布拉格光栅激光器、垂直腔表面发射半导体激光器（VerticalCavitySurface-EmittingSemiconductorLaser,VCSEL）、微腔激光器等。
光纤激光器
由上述可知，半导体激光器有很多优点，因而应用非常广泛。但其缺点是：与光纤之间耦合困难，增大了腔内插入损耗，从而导致其效率低、阈值高，因此，光纤激光器才应运而生。目前，光纤激光器已被广泛地应用于DWDM光纤通信系统中。
1.光纤激光器的结构和原理
光纤激光器是指以掺杂光纤为介质的激光器，它包括
（1）基质为光子晶体、石英玻璃、硅或氟化物玻璃，掺杂稀土元素，如Nd（钕）、Er（铒）、Yb（镱）、Tm（铥）等 15 种元素的掺杂光纤激光器。
（2）向塑料光纤芯部或包层内溶入染料的染料光纤激光器。
（3）由光纤的非线性效应产生的相干受激散射（受激拉曼散射和受激布里渊散射）。
现以图2-25所示的纵向泵浦的光纤激光器为例，说明光纤激光器的基本原理。由图2-25可见，一段掺杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从左面腔镜耦合进入光纤，左面腔镜对于泵浦光全部透射并对于激光全反射，以便有效地利用泵浦光,并防止泵浦光产生谐振而造成输出光不稳定。右面腔镜对于激光部分透过，以便形成激光束的反馈和获得激光输出。这种结构实际上就是法布里-珀罗谐振腔结构，泵浦波长上的光子被介质吸收，形成粒子数反转，最后在掺杂光纤介质中产生受激光发射，而输出激光。
图2-25 光纤激光器原理示意图
从效果上看，光纤激光器是一种高效的波长转换器，即由泵浦光波长转换为所掺杂稀土离子的激射波长。这个激射波长正是光纤激光器的输出光波长，它不受泵浦波长的控制，仅由基质材料的稀土掺杂元素决定。因此可以利用与稀土离子吸收光谱相对应的不同短波长、高功率且廉价的半导体激光器作为泵浦源，以获得不同波长(处于光纤低损耗窗口的1.3μm、1.55μm及2〜3μm红外光波段)的激光输出。
2.光纤激光器的特点
掺杂光纤激光器与其他激光器相比，它具有一系列重要特点。
(1)耦合效率高，因为其激光介质本身就是导波介质，可方便、高效地与光纤传输系统连接，这是基于光纤纤芯很细，纤内易形成高功率密度的缘故。
(2)能量转换效率高，如利用新型双包层光纤的光-光转换效率可达80%以上。
(3)激光阈值低，其掺钥光纤的阈值仅≤5mW。
(4)波段调谐范围广，可在380-3900nm很宽的波段范围及多波长运行，其色散性和稳定性好，这是基于光纤的可选择性、可调谐参数多的特性。
(5)器件结构紧凑简单、小巧灵活，可集成化，还可借助光纤的极好柔韧性，与方向耦合器等器件构成各种柔性谐振腔，有利于光纤通信系统的应用。
(6)激光亮度高，因光纤损耗小，激光场主要约束在纤芯内，能产生甚髙亮度和甚高峰值功率。
(7)激光束质量及调谐性能好，易实现单模、单频运转和超短脉冲输岀。
(8)能在不施加强制冷的情况下连续工作，因为光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好。
(9)器件寿命长，平均泵浦寿命(1~10)xl04h„
(10)工作条件不严格，可自然冷却或简单风冷，且耐高震动、高冲击，可在高温与大烟尘下运行。
以上这些特点决定了光纤激光器比半导体激光器拥有更多的优势。
3.光纤激光器的基本特性参量
光纤激光器是一种多波长的光源，它和其他激光器结构类似，也由增益介质、光学谐振腔和泵浦源三部分组成。增益介质能产生光子，光学谐振腔能使光子得到反馈，泵浦源能激励光子跃迁。掺杂光纤激光器的激活粒子是掺杂的稀土元素电离形成的 3 价离子，如 Er³+、Nd³+、Yb³+等。最常采用的泵浦源为LD，此外有钛宝石，YAG等固体激光器。稀土类元素掺杂光纤激光器的光纤基质材料应用最多的是玻璃（主要有硅玻璃和氟化物玻璃）与石英。对于硅玻璃，掺杂物质量份数为10%的数百倍，对于氟化物玻璃则可高一些。不同种类稀土离子的激光能级结构构成了不同的工作波长、激光运转方式和运转特点。依掺杂离子种类及浓度的不同，所用光纤长度的典型值在0.5〜5m之间。对掺EF³+光纤，在三能级系统下运转，I0-6的数百倍，典型的长度约为Im。而工作于四能级状态的掺Nd3+光纤，腔内损耗较小，通过增加光纤长度可以降低阈值。表2-5给出了掺钕、钳、镜等光纤激光器的一些主要的相关特性参量。
表 2-5 掺钕、铒、镱等光纤激光器的一些主要的相关特性参量
| 激光器种类 | 吸收带/μ0） | 荧光带/μm | 泵浦源/μm |
输出波长与调谐 范围/μm |
典型输出功 率 |
主要应用领域 |
| 掺Nd3+光纤 | 0.80,0.90 |
0.9, 1.06, 1.35 |
LD： 0.807； Ar+： 0.5145； YAG： 1.06： 钛宝石：0.7〜1 |
0.9,1.06,1.35 0.9 〜0.95 1.07 〜1.14 |
光纤通信、传感 | |
| 掺Er3+光纤 |
0.5 〜0.6,0.63 0.8,0.98,1.5 |
1.55 |
倍频 YAG： 0.532 LD： 0.98,1.48 |
1.55 | 数mW |
光纤通信、 传感、光谱 |
| 掺Yb3+光纤 | 800-1100 | 0.97〜12 |
钛宝石：0.86〜0.98 LD： 0.915,0.98 |
0.976,1.064 1.083 |
数kW |
激光加工、 医疗 |
| 掺Pr3+光纤 | 1.29 〜1.315 | 约 100 mW | ||||
| 掺Tm3+光纤 | LD； 0.795,0.98 钛宝石：1.06 YAG |
1.455 〜1.505 L7 〜2.0.81 |
约 100mW 约10W |
光纤通信、 传感 |
典型的光纤激光器有;双包层光纤激光器、连续波光纤光栅激光器、多波长光纤激光器、高功率光纤激光器、超短脉冲光纤激光器（如调Q、锁模、超连续谱光纤激光器）等。
光子晶体与光子晶体光纤激光器
1.光子晶体
光子晶体是1987年提岀的，这种材料有一个显著的特点，即它可以如人所愿地控制光子的运动，是光电集成、光子集成、光通信、微波通信、空间光电技术，以及国防科技等现代高新技术的一种新概念和新材料，也是为相关学科发展和高新技术突破带来新机遇的关键性基础材料。光子晶体的这一概念是同真实晶体的类比而来的。在固体材料中，由于原子核周期性势场的作用，电子会形成能带结构，带与带之间（如价带与导带）有能隙，称为禁带。将这一思想应用于传输光的介质，如果介质中也存在周期性的结构，其中的光子也会形成类似于电子能带的结构，在带与带之间也会出现禁带。在固体中，能量处于禁带内的电子是不可能存在的。与此类似，在具有禁带的介质结构中，频率对应于禁带的光不能在其中存在或传播，把这种由于存在禁带而对频率有选择特性的周期性介质结构称为光子晶体，相应的光不能在其中存在或传播的频率范围称为光子禁带或光子带隙。
光子晶体的周期性结构可以抑制自发辐射，自发辐射的概率与光子所在频率的态密度成正比。当原子被放在一个光子晶体里面，而它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时，由于该频率的态密度为零，因而自发辐射概率为零，相应的自发辐射被抑制。而抑制自发辐射具有十分重要的现实意义，如在半导体激光器中，由于自发辐射的存在而引起较大的附加电流损失，这是成为激光器阈值的主要原因。如果能够把自发辐射限制在一定的电磁模式内，如激光器的输出模式内，则激光器的阈值会大幅度降低，甚至有可能制成零阈值激光器。在异质结双极晶体管，如果将表现为电子-空穴复合的自发辐射降至最少，那么晶体管的电流增益则会随之大大增强。
传统的激光器存在功耗大、阈值高、模式特性差、尺寸大、不易集成等缺点，而成为限制激光器被更广泛应用的瓶颈；光波导和反射镜已广泛应用于集成光路和光通信中，由于目前无法制备直角波导和高反射率的反射镜，同样限制了该器件的实际应用。但光子晶体具有特殊的控制光子的能力，在传统光电子器件中引入光子晶体结构，将突破传统器件中的物理瓶颈，而提升器件的性能；在光子晶体芯片上集成激光器、波导、滤波器、耦合器等，将能实现微纳结构下的全光集成。
随着微加工技术的进步，近十年来集成光路研究取得了很大的进展。但是，光子是中性粒子，不像电子一样易于被操纵，因而目前光信息技术的应用还仅仅局限于信息的传输，即光通信，而在信息处理方面还无法取代电子技术。但光子晶体这种新材料，可能为解决这一问题提供机会。因为可根据光子晶体的能带工程，来达到控制光子运动的目的。更为重要的是，可以在一块光子晶体上将具有不同功能的光子器件集成起来，实现光子集成芯片。显然，在这个芯片中，光子晶体激光器将作为核心器件而提供光子。
指出的是，光子晶体不是简单的晶体而是由不同晶体按特定方式排列而成的。目前，实验室中所用的光子晶体，都是人工设计制作岀来的。
2、晶体激光器
传统激光器有一些缺陷似乎很难克服，如激光器发射波长的变化使传输损耗发生变化；随功率的增加线宽趋于饱和，并重新展宽；辐射角比较大，耦合效率不高。而如果引入光子晶体结构对光子态的调控作用，即人为地制造岀可以将光局限在其中的微腔，这样在光子带隙中就会出现一个或几个孤立的缺陷模，能够形成激光的振荡，使微腔中的激光介质被激发，从而就会产生具有缺陷模特征的激光。当微腔的。值足够大时，缺陷模激光就会有很好的单色性，再以平面内波导或平面外其他方式将其引出光子晶体，就可以很好地控制方向。因此，光子晶体微腔，是一个特殊的谐振腔，它不仅保持腔内光场的振荡，同时也从物质本身本征地增强了这种振荡。由于自发辐射的能量几乎全部用来发射激光，这就大大降低了激光器的阈值。这种小体积、低阈值甚至零阈值、高功率、易于光纤耦合而且可以在小区域密集分布的激光器，正是光电信息系统所追求的信息光源。此外，光子晶体激光器本身还可以延伸到高灵敏的化学探测器设计中，并为探索许多基本的物理现象开辟新的方向。
1999年，美国加州理工大学的Painter等人设计制作出第一个光子晶体点缺陷腔型激光器。它结合了光子晶体的光量子调控与半导体量子阱材料受限电荷态的量子调控，利用微电子加工技术，在InGaAsP/lnP量子阱材料上，实现了波长为1.55μm的激射。这种结构釆用的是三角晶格光子晶体，三角晶格光子晶体的带隙比四方晶格的宽，因此相对而言，制作缺陷腔激光器较容易。
为使光子晶体激光器更加实用化，必须釆用电注入的方式。2001年，密西根大学的Bhattacharya等人利用DBR作为底层，加强垂直方向上的光限制而设计了电注入光子晶体缺陷腔激光器。2004年年底，韩国先进工业技术研究院的LeeY等人发表了更为合理的电注入光子晶体缺陷腔激光器的结构，它利用单缺陷腔下方的介质柱提供了一个导电通道，并充当一个导热的介质，从而解决了光子晶体激光器导热不佳的问题。
光子晶体内的缺陷不仅仅是去掉某些晶格点上的空气孔，还可以釆用晶格错位的概念，在完整三角晶格中引入晶格位移，同样可以在禁带中获得缺陷态。
随着光子晶体微腔激光器研究的深入，由单一缺陷微腔发展到多个光子晶体微腔的耦合。2006年，美国斯坦福大学的Vuckovic研究小组首次报道了通过多个微腔耦合获得超快激光的研究成果，其激光器的调制速率超过100GHz（目前传统激光器的调制速率在40GHz左右）。目前，贝尔实验室、英国巴斯大学、丹麦CrystalFiberA/S公司等都在大力研究新型的光子晶体激光器。在我国，深圳市激光工程重点实验室也已经开发出了功率达15W的光子晶体激光器。高效光子晶体激光发射器将逐步实用化，继而逐渐发展为激光器的主流。
3.光子晶体光纤激光器
（1）光子晶体光纤。光子晶体光纤（PhotonicCiystalFiber,PCF）,又称为多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成的，通过这些微小空气孔对光的约束实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。
①光子晶体光纤的类型。按导光机理来说，PCF可分为如下两类。
（a）折射率导光机理。周期性缺陷的纤芯折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规光纤有所不同.由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。
（b）光子能隙导光机理。理论上求解光波在光子晶体中的本征方程可导出实心和空心PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。光纤中心为空心，虽然空心折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空心之内传输。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/4〜1/2。
空心PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空心PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空心PCF中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。
各种类型的光子晶体光纤如图2-26所示。
②光子晶体光纤的特性。光子晶体光纤PCF有如下特点：结构设计灵活，具有各种各样的小孔结构；纤芯和包层折射率差可以很大；纤芯可以制成多种样式；包层折射率是波长函数，包层性能反映在波长尺度上。因此，PCF具有如下的特性。
图2-26各种类型的光子晶体光纤
- 无截止单模；
- 有不同的色度色散：
- 有极好的非线性效应；
- 有优良的双折射效应；
- 有较高的入射功率；
- 有可控制的非线性；
- 易于实现多芯传输等，从而提高了信道通信的容量，解决了单芯难以胜任的复杂通信网络、矢量弯曲传感、光纤耦合等问题。
（2）光子晶体光纤激光器。由于PCF有传统光纤无法获得的光特性，它不仅赋予了PCFL大功率输出等许多优点，也对光集成有着重要意义。目前，PCFL已成为热门技术，在结构设计、工艺制作、提高功率和性能方面已取得重大进展，它不但发展迅速，且有发展潜力，将对光学、光电信息科学等领域产生重大影响。目前,已研制出下列几种PCFL。
- 掺Yb的双包层PCFL,它有获得kW级的输出潜力。
- 侧面泵浦的双包层PCFL,它为改进大功率PCFL铺平了道路。
- 高偏振的PCFL,可获得好于200：1的偏振比（最大传输与最小传输之比）。
- 大数值孔径PCFL,它具有高达0.9数值孔径（NA）的PCF,可根据需要拉伸为任意薄厚的薄壁。
- 聚合物PCFL,它不需要反射镜，在632nm波长的最大脉冲能量为16卩，其峰值功率为2kW。
- 全光纤PCF喇曼激光器，它通过釆用更小的芯径和选择掺Ge的PCF,可将增益提高到40W/km以上的理论值。由于理论上PCFRL的喇曼增益系数几乎为最佳化传统FRL的7倍，因此PCFRL将在许多应用中代替传统的激光器。
激光器在安防中的应用
一般，由于激光是一种特殊的相干光源，且具有方向性强、亮度高等独特优点，因而在国防和国民经济各领域用途很广，如激光武器、激光制导、激光测量、激光扫描传感等。显然，激光技术在安防中的应用也很广泛。这里，仅介绍激光在安防中的几个典型的应用。
1.用作激光红外光源
由于激光红外光源的光束细而强，要照亮一定范围的场景，则需要通过扩束镜头扩束。这种光源应用的最大优势在于激光具有很高的发光效率、发光强度和方向性，其电光转换效率最高可达80%,从而可大大降低能耗，增加照明距离，目前多用于1km以上距离的监控场景的夜视照明。一般，半导体红外激光器采用金属封装和专用电源，并通过先进的半导体温控技术使得产品始终在设定的合理温度下工作，寿命能够较好地得到保证。
红外激光光源与配有长焦距镜头的摄像机组合，可以较好实现夜间远距离监控。特别适合国家边防、海防、森林防火、交通工程等大型项目。但由于工艺比较复杂、产量比较低，其价格比LED光源高：且激光灯功率过大对人身体健康有一定的副作用，因而应用时需选择功率在安全值。
最后需要指出的是，红外光源的选择最重要的问题是成套性，即红外灯与摄像机、镜头、防护罩、供电电源等的成套性。在设计方案时，应对所有器材综合考虑，即把它作为一个红外低照度夜视监控系统工程来考虑设计。除配套性外，还要考虑到以下因素：选择红外灯时，在选择红外灯辐照距离时留有余地；使用红外灯应选用黑白摄像机或是日夜两用摄像机，且摄像机的照度要低（一般＜0.02Lux）,要有自动电子快门功能，AGC自动增益控制功能；所选用的镜头最好是红外镜头，还要有自动光圈，以适应昼夜照度很大的变化。此外，在选择红外光源时，还要注意其发热与散热问题，要注意选择红外灯的供电与灯板分开的红外光源，并且还必须要有光控开关，因为红外灯只有在夜间才需要打开。
2.用作车流量监控及车轮廓描画
面对交通运输业带来的能耗、污染及拥堵问题，发展智能交通是解决思路之一。而在智能交通中能得到实际应用的，大部分是利用脉冲法激光测距。在脉冲飞行时间激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲，打到目标对象反射后激光产生漫反射，部分反射光经光学系统汇聚后被雪崩光电二极管接收。鉴于光速是已知的，记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。
这里介绍的车流量监控、车型描画，以及下面介绍的激光测速仪、汽车防撞系统、车辆行人违法监测等，基本上都是利用激光测距技术在安防智能交通ITS中的应用。
用作车流量监控及车轮廓描画使用方式一般固定在高速或者重要路口的龙门架上，激光发射和接收垂直地面向下，对准一条车道的中间位置。当有车辆通行时，激光测距仪能实时输出所测得的距离值的改J变，进而描绘出所测车的轮廓。这种测量方式一般使用的激光束发散角度较小，测距范围一般小于30m即可，且要求激光测距速率比较高，一般要求达到几千赫。这对于在重要路段监控可以达到很好的效果，能够区分各种车型,对车身扫描的釆样率可以达到每厘米一个点，且对车流限高、限长等都能实时输出结果，如图2-27所示。
图2-27激光测距仪用于车流量监控及车轮廓描画示意图
在没有车辆到来时，激光测距仪测出的是一个距离常量，即激光测距仪到地面的距离。当有车辆从激光测距仪下面经过时，其距离值改变，当距离值再次回到常量就认为有一辆车通过，根据这种方式可以对通过一些路段的车流量进行监控。现在常用的方法是对一段时间内的车流进行统计平均的方法，带有很大的估计成分，而视频统计的方法还有很多现实应用的困难，因此激光测距统计平均的方法为车流量统计提供了一种可行的方案。
3.用作车辆行人违法监测
由于激光测距仪的光束不是实质性的障碍，在利用激光测距仪对路面进行监控时，并不会阻碍交通的正常运行，因此，在一些禁停或者禁止行人车辆通行的路段，可用红外激光束平行路面以一定高度进行固定发射或者以一定角度进行扫描。当遇到有车辆违法停车、闯红灯或者行人违法跨越护栏等，就会使激光测距距离值改变，从而可以进行报警或者警示。这种应用光束不必要太宽，但一般要求测距距离比较长，以确保一定路段长度的防护距离。这种方式构成的智能交通违法监控系统将在交通物联网中得到很大的应用。
当前，随着3G、4G、传感技术的发展进步，智能交通正伴随着物联网在向“新一代智能交通”发展，物联网作为一种融合短程无线通信技术、微电子、传感器、嵌入式系统的新技术，逐渐被用于新一代智能交通系统等需要数据采集与检测的相关领域，从而将给城市智能交通带来一次全新的升级。
4.用作汽车防撞探测器
据报道，美国弗吉尼亚理工大学开发了一辆专门为盲人设计的汽车，其中，担负“眼睛”重任的是一个由激光传感器和数个摄像头组成的“驾驶柄”，“眼睛”通过激光传感器连接着不同的震动系统，起到了周围环境物体距离感知的作用，通过高速三维激光成像雷达系统，对汽车周围环境进行探测，利用获取的位置信息建立三维点云模型，为汽车路径规划，自主导航等提供重要的视觉基础。
一般，大多数现有汽车碰撞预防系统使用光束以不接触方式用于识别汽车前面或后面的目标与汽车之间的距离。当汽车的间距小于预定安全距离时，这样的汽车防撞系统能对汽车进行紧急刹车，或者对司机发岀报警，或者综合目标汽车速度、车距、汽车制动距离、响应时间等对汽车行驶进行及时判断和响应，以便防止行车事故。
5.用作激光测速仪
随着信息社会的发展和改革开放的不断深入，人民生活水平不断提高，汽车的普及率也越来越高，交通事故也时有发生，因而交通管理迫切需要对运行汽车进行检测，尤其是能对汽车车速有一个有效检测手段。检测汽车车速，比较常用的是微波雷达测速，其检测范围大，但其检测速度的准确值较差，因而最好采用汽车激光测速系统。
激光测速仪是釆用激光测距的原理，对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，取得在此时间间隔内被测物体的距离变化，从而得到该被测物体的移动速度。
激光测速仪分为固定式和移动式两种。
(1)固定式激光测速仪。它一般固定在路边或龙门架上，以一个比较小的角度迎向来车，一般通过车牌反射进行测量，其测量精度比较高，可以达到±1km/h,测速范围可以达到250km/h,测距范围在此应用中不用太长，一般80-100m即可。
(2)移动式激光测速仪。它对操作要求比较高，一般光束发散角度要大于3mrad,鉴于激光测速的原理，激光光束必须要瞄准垂直与激光光束的平面反射点，又由于车辆处于移动状态, 车体平面不大，且测速需要一定时间，只能作为临时测速取证应用。
由于激光测速仪光束发散角度较小，便于测速取证，不像雷达多普勒测速仪，在多车道测量时不能确知超速的具体车辆，且由于激光测速仪发射的是近红外的光波，不能被雷达探测器、电子狗等探测，且不易受市区雷达杂波干扰。激光测距仪用于智能交通测速，如图2-28所示。
图2-28激光测距仪用于智能交通测速示意图
这种激光测速具有以下几个特点。
- 由于激光光束强、方向性好，其测速距离相对于微波雷达测速的有效距离远，可测1km以外；
- 测速精度高，误差小于1km/h；
- 激光光束必须要瞄准垂直于激光光束的平面反射点，由于被测车辆距离远而处于移动状态，是非合作目标而不容易瞄准，目前美国激光技术公司已生产出带连续自动测速功能的激光测速仪，专门用于解决这一问题；
- 鉴于激光测速原理，激光测速仪不可能在运动中使用，只能在静止状态下应用，所以一般交警都把仪器放在巡逻车上，停车静止时使用；
- 激光测速仪的取证能力远远大于雷达测速仪，因而受到全世界广泛的认可和推广；
- 目前大部分国家采用的激光测速仪使用的是一类安全激光，对人眼睛安全，如选用波长为905nm和1540nm的测距测速仪，即为安全的激光测距测速仪。
6、用脉冲激光雷达监测识别环境安全
脉冲激光雷达实际上就是一个激光识别和测距仪器，简称LIDAR,其智能探测与识别环境污染的工作原理，主要是它的光源是一个波长可调的激光器，在不同的波长下，通过接收从大气中返回的反射波的分析，能够测量大气污染浓度。它借助于污染物浓度测量的距离分辨图像，可以测到10亿分之一的污染浓度。总之，它可以测量遥远现场的自然状况(主要是大气和水体)，也可用于大气污染的检测和测绘环境污染的纵向分布图。这种仪器 也用于许多科学测量中，如南极臭氧、温度的纵向分布，海平面的浮游生物和叶绿体的分布等的测量。
脉冲激光雷达系统由脉冲激光发射系统、脉冲激光接收系统、控制与分析识别输出系统三部分组成，如图2-29所示。
脉冲激光雷达的光源具有高峰值功率，通常采用调Q激光器，它可以选择波长，使其与大气中某些待测成分的吸收峰一致。人们感兴趣的波长范围是从近紫外(300nm)到远红外(10gm),它与微波雷达仪测量用的mm和cm波不同。实际上，在光波长范围内有许多有用的谱线，几乎可用于大气中发现的所有气体种类，如二氧化氮、二氧化碳、水蒸气、臭氧和二氧化硫之类的气体、碳氢化合物、燃气、氟氯酸(CFC)等。
图2-29 脉冲激光雷达系统的组成与工作原理框图
为了使激光波长在一个很宽的频谱范围里调谐，并且这个范围包括通常测量的大多数种类,激光器可以是一个光学参数振荡器（0P0）。这个光学参数振荡器被一个调Q激光器在一定的波长下激发，如用Nd:YAG激光器在波长1.06gmT工作或在其二倍频的波长0.53μm下工作，它能在0.6〜3.5μm范围内调节。另一种选择是可调光源，调节范围从可见光到近红外，如宝石激光器（0.8〜0.9μm）、染料激光器（0.4〜1.0μm）。在红外范围内，二氧化碳和一氧化碳激光器使用较为广泛，有时也使用半导体二极管激光器。
激光光束准直是用一个发射望远镜实现的，在大气层中沿着瞄准线射岀，它不需要在远处放一个目标。连续脉冲沿不同的瞄准线发射，扫描返回信号，可以构成测量图。对于每一个脉冲，被大气层返回的功率是通过接收望远镜接收的，它通过光电探测器转换成电信号。光电探测器信号的时间关系很容易转换成散射返回光强度和距离的关系。
双波长LIDAR仪器的改进型，即RamanLIDAR,它通过移动波长，将其包含在返回散射信号中。在水里，Raman信号很强，并且对某个波长来说是一个近似的常数，因而可以用来监测污染物（如水面上的碳氢化合物）和颗粒。在大气中，Raman信号是弱的，但可以利用温度与高度分辨率之间的关系来测量空气的温度。
7.利用激光作防盗报警
这里现举两个实例说明如下。
（1）多路激光防盗报警器。这里介绍的报警器激光源采用儿童玩的激光棒，它利用其亮度高、方向性好、射程远的优点而制成。并且，具有取材容易、成本低廉、自动化程度高、可监视范围大的优点，适合长度在200m以内的庭院、果园、鱼池、厂区、堆栈、货场等场地防盗，也可用于禁止通行的走廊、过道、危险场所等场合。
图2-30 多路激光防盗报警器电路及工作原理
图中，VT1、VT2、RL1、Rp1、R1、K、VD6构成光控开关，白天光敏电阻 RLi 在光照下处于低阻态，VTi饱和导通、VT2 截止，继电器 K 不通电，常开触点 J处于断开状态，报警电路不工作；夜晚，RLi变为高阻态、VTi截止，VT2饱和导通，K得电使J吸合，电路为整机供电，红色发光二极管LED亮，稳压 6 V 经 VD7、VDs、VDs降压后为后续电路供电。激光棒 JB1、RL2、Rp2、R3、R4组成一路激光发射与接收网络。报警器在守候状态时，激光棒发出红色激光，照射到光敏电阻RL2上，RL2呈低阻态，VT3基极电位很低，为晶闸管VS提供触发电流，VS导通，IC2得电工作，喇叭发出警报声。本警报器可同时设置多达10路激光发射与接收网络，电路结构完全相同，Ca为抗干扰电容。AN为复位开关。当电网停电或歹徒切断电源时，电池立即向整机供电，保证了报警装置的可靠性。
②元器件的具体选择与安装调试。图中，IG选稳压集成电路7806,使用时需加铝质散热片。IC2为KD-9561四声片，本电路第二选声端SEL2（消防车警报声）。激光源选用电压为4.5V、功率<5mW的红色激光棒VTi、VT2、VT3等选用9013,要求^100；所有的光敏电阻都选用密封形的，暗阻越大、亮阻越小越好，型号不限。电阻均选用（1/8）W碳膜电阻。T为次级电压9V的电源变压器，功率要在8W以上，要尽量选用空载电流小、长时间空载电不发热的优质变压器。K为6V微型电磁电器，如4099型，本电路使用其常开触点。扬声器为8。、0.2WoE为6节1号串联电池。
RL1安装在能感受外界光线强度且夜晚灯光照不到的地方，改变RPI的阻值可以调整光控开关的灵敏度，可根据实际情况设定。RL2等接收激光的光敏电阻放在长5m、内径1cm的套筒内（内壁涂黑），以防止外界杂散光线干扰。在晚上光控开关使主机加电后，激光照射到RL2上，调整RP2使VT2能可靠截止，VS不导通；当用手遮住激光后，VT2应可靠导通，触发VS导通，报警器发声（当安装多组激光发射与接收网络时，应分别加电调试）。VS—经触发，即锁定在报警状态，可按AN复位。
为增加防盗器的可靠性，可按图2-31组成多道光路，形成难以逾越的光幕。对于过道、走廊防盗，可以多面反光镜安置在墙壁上，这样激光经多次反射后被接收，可减少元器件使用量，节约成本（反光镜不可设置过多，因反光镜对光线有吸收作用），如图2-32所示。
对于面积不大的场地，可按照图2-33安装反光镜。但使用时应注意如下几点。
- 本报警器在雨、雪、雾灯天气情况下不适合使用；
- 空气中有灰尘、烟气的时候，红色激光柱光路明显减弱，容易被歹徒躲避穿越：
- 光敏电阻引线应尽量安装在隐蔽位置，以免被歹徒短路，导致报警器失灵；
- 应定期擦拭激光棒镜头、反光镜、光敏电阻上的灰尘。
图 2-31 组成多道光路 图 2-32 墙壁多面反光镜的安置 图 2-33 场地反光镜的安置
（2）大范围激光防盗报警器。由于激光电筒发出的激光束方向性好、射程远，有效射程超过千米。利用这一特点，可以广泛应用于住宅小区、货场、鱼塘、果园等露天场所的大面积的区域性警戒防护，有效范围可达100000m²,有很强的实用性。
①大范围激光防盗报警器电路及工作原理，如图2-34所示。
图2-34大范围激光防盗报警器电路及工作原理
图中，电路的核心是IC3（LM567）及其外围阻容元件构成的锁相环电路。当其输入端3脚输入的信号与本身振荡信号的相位（频率）相一致时，其逻辑输出端8脚输出保持为低电平；当输入端输入的信号与其震荡信号相位不同时，其8脚输出为高电平。电路中采用了免调整的同频工作方式，利用锁相环电路本身的振荡信号（锁相环电路的工作频率由外围的战、G的参数来决定）同时作为激光器的调制信号，使收发电路工作于同一振荡频率上，工作方式更加简便可靠。
当电路工作时，锁相环电路IC3的5脚输出的振荡信号，经Rs输送到VT1放大后，推动激光器发出载有调制信号激光束。激光束在传播途径中经多次反射后，照射到接收部分的光电管VT2上并转变为交变电信号，该信号经R4、C4耦合到运放IC2的2脚上，通过IC2放大后输送到锁相环电路IC3的3脚。由于此信号的相位与锁相环电路的振荡信号完全一致，故经内部比较鉴别后，逻辑输出端8 脚输出低电平，VT4截止，VT3导通，绿色发光管LED1点亮；而当有人侵入警戒区域时，激光器发射的激光束被遮挡，传输路径被中断，光电管VT2瞬间内不能接收到信号，此时锁相环电路的输入端没有信号输入，逻辑输出端8脚跃变为高电平，VT，截止，VT4 导通，IC4 的 2、6 脚变为低电平，由 IC4等构成的单稳态延时电路翻转，其 3 脚输出高电平，红色发光管LED2点亮；同时，VTs导通，继电器 J1吸合，从而接通告警电路--电铃RL及红色灯泡H发出声光报警信号，报警时间的长短由单稳态电路的暂态时间来决定，按图中所注参数计算，大约为50s。
②元器件的具体选择与安装调试。电路中，RL为220V交流电铃；H为220V红色灯泡，可以多盏并接；J1选用工作电压为6V的继电器，触点电流大于2A即可；其他元器件多为常用元器件，按标注参数选择即可。
为确保电路工作可靠，最好加接直流稳压电源，以防止市电出现问题时报警电路失灵。
图2-35 矩形警戒区的激光束路径
（3）安装与调整。矩形警戒区的激光束路径如图2-35所示。三面平面镜在水平方向上均与激光束成45°,对于不规则的警戒区域，可以通过增加平面镜的数量来实现全方位的警戒。在调整平面镜的过程中，应防止激光束对眼睛的伤害。虽然激光电筒发出的激光束功率只有几毫瓦，但其强度却超过阳光的1000倍，容易对人的视网膜造成伤害。
8.利用激光进行火灾探测
目前，利用激光进行火灾探测的方法很多，这里就不具体论述。实用的有下列四种。
(1)激光散射型感烟探测系统，它可有效地克服现有火灾烟雾探测器的不足，在烟雾微粒识别、灵敏度、准确性和环境适应等方面均取得新的进展。
(2)采用量子级联激光器的气体检测装置可以实现火灾的早期报警，以及微量有毒有害气体泄漏的快速、准确探测。
(3)基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的火灾气体检测系统，可利用波长调制光谱和调制频率多路技术实现了CO和CCh的同时检测。
(4)激光图像感烟技术，可实现大空间火灾探测技术从现行的点式强度型向图像模式识别型的技术跨越等。
9.激光显示系统
众所周知，监控场景的显示器是安防视频监控系统重要的终端设备，但实际上其核心主要是光电信息技术中的电光转换器件，即以发光器件为核心组成的，其详情将在后面光电信息显示技术中论述，这里仅简介激光器作为显示器'的一种应用。
传统的背投影显示方案主要是以光源、色轮、图像引擎芯片、光路、投影的合色、投影物镜和屏幕的过程组成的。如釆用激光作为投影光源，可充分发挥激光光源分色分时特性，釆用光谱合成以及分时工作的模式，直接应用于照明光学图像芯片，抛弃过去在光机中一定使用到的UV、红外、偏振镜、复眼透镜这样的一些光学器件，可大幅简化投影机光路结构。
激光显示系统主要由三基色激光光源、光学引擎和屏幕三部分组成。光学引擎则主要由红、绿、蓝三色光阀、合束X棱镜、投影镜头和驱动光阀组成，光阀驱动使光阀上分别生成红、绿、蓝三色对应的小画面，然后分别引入三色激光照明投影到屏幕上，即产生全色显示图像。
因此，激光显示技术是以高饱和度的红、绿、蓝(RGB)三基色激光作为光源的显示技术。其充分利用激光波长可选择性和高光谱亮度的特点，使显示图像具有更大的色域表现空间，色域覆盖率可达90%,可实现2倍于传统光源的色彩再现能力，色彩饱和度为传统显示的100倍以上。最大限度地能展现人眼可以识别的色彩，真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力。
此外，在裸眼与真3D立体显示技术中，均要用到红、绿、蓝(RGB)三基色激光作为光源的显示。例如，用激光投影的全像投影式(Holographic),它利用红、绿、蓝3色激光光源各自经过调变器产生相位型光栅，激光在经过全像片合并之后，以垂直扫描镜及多面镜进行垂直及水平的扫描，使立体影像呈现出来；又如体积式(Volumetric),它是由TI公司所开发的激光3D投影技术，以激光光照射在一个高速旋转盘上的散射现象，于一个玻璃密闭空间内显示立体物件的每一个点，从而组成立体影像：再如全息三维显示等，都需要利用激光的特性。
