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激光原理和应用 ── 中恒星光产业洞见系列(10)
 Kay & Hank          2016-12-23


激光技术列为二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四大发明之一。近五十年来,以激光器为基础的激光技术在全球得到迅速发展,并广泛运用于工业、通讯、信息处理、医疗、军事等各个重要领域,已经渗透入生活的方方面面。本文中,我们将就激光的基本原理、市场概况做简单的介绍,并着重于现在激光领域最火热的光通讯、激光雷达两个领域做详细的说明。


激光基本原理
激光也叫镭射(laser),是英文“受激放射光放大”(light amplification by stimulated emission of radiation)的字母缩写,是将光通过电磁辐射受激后产生放大的方式。激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就,它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程。激光器的诞生史大致可以分为几个阶段,其中1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。第一个激光器诞生于1960年,开创了光学的新时代,同时被应用于多个领域。下面来简单介绍激光的大致原理,以及如何应用在通讯和雷达中。
首先,激光与其他光源不同之处在于它具有绝佳的相干性,所谓相干性可以分两部分来理解:空间相干性和时间相干性,分别表述空间不同位置光波场的某些特性之间的相关性,比如相位,以及空间点在不同时刻光波场之间的相关性。简单来说,空间相干性使得激光可被聚焦于一个“小点”,而日常生活中的其他光源,比如灯光,光线呈发散状态,因此能量无法被集中。激光的这种特性可被应用于切割、光刻等用途。另外,空间相干性使得光束经过远距离传输仍能够保持光束集中,因此才有了激光笔这类应用。而时间相干性意味着激光的波长可保持稳定,因此能产生单一色的光,也称为激光的单色性。这些特性使激光可以被应用于医疗(近视矫正手术、美容祛斑等)、测距、军事等方面。
那么究竟激光是如何产生的呢?我们在中学的物理课中学过物质是由原子和分子组成,而在原子当中又有电子,这些电子拥有不同的能量级别。根据物理学家玻尔的模型,当电子从高能量级别(或高能阶)降到相邻的低能阶时会放出一部分能量,而这“一份能量”的值是固定的,我们称其为“光子”(quantum),这个释放光子的过程叫“自发放光”,普通的光源发光都属于这种方式。而当电子在高能阶时受到一个光子撞击,就会受激而放出另一个相同的光子,由此变成两个光子,这个过程叫“受激放光”。如果电子不断重复受激放光,则发出的光子越来越多超过低能阶的电子数量时就达到了光放大,利用这个原理人们发明了“光放大器”。下图是最简易的激光器结构,其中有一种工作物质或称增益介质,在受到外来能量源(泵浦源)激发时其粒子能达到受激状态,也就是进入了更高能阶。当增益介质达到高能阶量子态时,释放出的光子按照激发光源的方向移动,这个时候让光子在两面设有反射镜的谐振腔中来回震荡,使得光子多次穿过增益介质,产生更多光子便能达到光放大的效果。增益介质通常是纯度、密度、尺寸、形状被严格控制的物质,但可以是任何形态比如气体、液体、固体、等离子体等,常见的有红宝石、氢一氖气等。而泵浦源通常是某种光源、电场、化学激励装置或核能激励装置。


下图中是氦氖激光器,发光的部分是作为增益介质的等离子物质,在受激后发生了放电从而产生红光光。在谐振腔两端我们可以看到有两个反射镜,最终由前端的镜片射出激光到白板上,聚焦为一个直径约1mm的光点。


常见的激光器按工作介质分类可分为气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器和自由电子激光器等。
▶ 气体激光器
气体激光器是利用气体作为工作物质产生激光的器件,主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等,其中电激励方式最常用。氦-氖激光器是最早出现也是最为常见的气体激光器之一,于1961年由在美国贝尔实验室从事研究工作的伊朗籍学者佳万(Javan)博士及其同事们发明。与固体、液体比较,气体的光学均匀性好,因此气体激光器的输出光束具有较好的方向性、单色性和较高的频率稳定性,在精密测量、准直和测距中得到广泛的应用。但是缺点是气体的密度小,不易得到高的激发粒子浓度,因此气体激光器输出的能量密度一般比固体激光器小。常见的气体激光器包括:


▶ 固体激光器(Solid-State Laser)
固体激光器是用固体激光材料作为工作物质的激光器。工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子。例如:在钇铝石榴石(YAG)晶体中掺入三价钕离子的激光器可发射波长为1050纳米的近红外激光。固体激光器以光为激励源,常用的脉冲激励源有充氙闪光灯;连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。在小型长寿命激光器中,可用半导体发光二极管或太阳光作激励源,一些新的固体激光器也有采用激光激励的。固体激光器具有体积小、使用方便、输出功率大的特点。
固体激光器能量转换效率不高,但输出能量级较大,可作大能量和高功率相干光源。固体激光器一般连续功率在100瓦以上,脉冲峰值功率可高达109瓦。运用Q开关技术(电光调制)可以得到纳秒甚至百纳秒级的短脉冲,采用锁模技术可得到皮秒甚至百皮秒量级的超短脉冲。这些特质使得固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。由于工作介质的制备较复杂,所以价格较贵。


▶ 液体激光器
液体激光器也称染料激光器,因为这类激光器的激活物质是某些有机染料溶解在乙醇、甲醇或水等液体中形成的溶液。为了激发它们发射出激光,一般采用高速闪光灯作激光源,或者由其他激光器发出很短的光脉冲。液体激光器优点是激光波长连续可调节,且结构简单、成本低,但稳定性较差,它对于光谱分析、激光化学和其他科学研究,具有重要的意义。


▶ 半导体激光器
半导体激光器也被称为激光二极管(Laser Diode, LD),是以半导体材料(砷化镓、硫化镉、磷化铟等)作为工作介质。主要激励方式有三种:电注入式、光泵式和高能电子束激励式。这类激光器具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、使用寿命长等优点,在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用,形成了广阔的市场。1978年半导体激光器开始应用于光纤通信系统,可以作为光纤通信的光源和指示器,另外可以通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统。在通讯方面的应用包括光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光耦合等方面。半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展,它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。半导体激光器再加上低损耗光纤,对光纤通信产生了重大影响,并加速了它的发展,因此可以说没有半导体激光器的出现,就没有当今的光通信。


激光行业市场情况
目前,激光器的应用市场主要分为五大部分:①材料加工与光刻;②通信与光存储;③医疗与美容;④仪器与传感器;⑤科研与军事。根据EPIC(欧洲光学联合会)的数据显示,2014年全球激光器市场规模已经达到了93亿美元,同比增长约6%。其中,通信为最大的市场,占比达到35%,约33亿美元;材料加工仅次于通信,占比为34%,约32亿美元。

数据来源:EPIC


在地域分布上,欧洲地区为最大的激光器市场,占比高达31.8%;而中国为单一国家中占比最高的,占比接近30%。以此推算,中国市场规模约27亿美元。

数据来源:EPIC


而根据中国光学学会激光加工专委会统计数据显示,2014年中国激光加工产业总收入约270亿人民币,其中激光光源与激光加工设备销售额达到近215亿人民币,激光加工收入约55亿人民币,较2013年240亿的产值增长了12.5%左右,行业企业平均利润率超过10%以上。


光通讯
自人类从20世纪60年代进行空间探索以来,信息的大部分传送都是依赖于电波,但随着网络的发展,现代通信传输数据量呈指数级增长,以光波为基础的大带宽、高速率通信成为替代传统通讯电缆的选择。激光通讯按照传输媒质的不同,可分为大气激光通讯和光纤通信。由于大气激光通讯技术主要应用于军事、科研领域,而光纤技术则主要应用于民用通信领域,因此这里将详细介绍光纤通讯技术。
当信息传输时,在发送端首先将电信号经过光源调制成光信号,通过激光器发出激光束,再通过光纤发射出去;在接收端,检测器收到光信号后把它转换成电信号,最后还原成原始信息,比如视频、音频、其他数据等。

光纤通信原理示意图

激光器与其他光器件整合在光模块结构中


相较于传统的电信号传输,光纤通信的通信容量大且传输距离远。一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽,只需一秒钟左右,即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。目前,400Gbit/s的系统已经开始投入商业使用。另外,光纤的信号损耗比任何传输媒质的损耗都低,因此光纤无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。此外,光纤还具有保密性好、不受电磁干扰、适应性强等特点。
随着未来5G铺开,视频业务、物联网、VR、AR等应用的逐渐落地,流量增长将持续上演。根据Cisco的数据显示,到2020年,全球固网和移动数据流量将分别达目前的2倍和5倍。这对现有的数据传输体系提出了巨大挑战,传统的铜电路已经到达了物理瓶颈,50Gbit/s已经接近其传输极限,而光纤目前已经可以做到400Gbit/s的商用化,并且其潜力还远远未开发出来,全球数据传输“光进铜退”的趋势不可逆转。

全球数据流量预测

数据来源:CiscoVNL


从全球范围来看,近五年光模块市场快速增长。根据ICCSZ统计,2010年全球光模块市场销售收入达28亿美元,至2014年已超过41亿美元,年均增长率高达10.06%。随着数据流量的飞速增长和用户带宽需求的增长,通信运营商将不断进行网络升级,进而推动全球光网络设备市场和光模块市场的发展。至2019年,全球光模块市场将有望达到66亿美元。

数据来源:ICCSZ


此外,由于光通信网络向着超高频、超高速和超大容量发展,高速率光模块已经成为光模块市场的发展热点。根据Infonetics数据显示,40G光模块和100G光模块的年复合增长率将分别高达16.95%和36.10%。100G及以上的光模组将成为未来的行业发展重点。

数据来源:Infonetics


在数据来源上,由于固网传输已经基本完成光纤替代的过程,随着云计算、大数据时代的到来,未来全球光通信重心将转移到云平台架构,数据中心流量将快速提升。根据Cisco预计,至2019年,全球通信网络流量的99%将和数据中心相关,其中数据中心内部的网络流量将占全部流量的70%以上。

数据来源:CiscoVNL


光通信作为一个较新的行业,目前仍处于整合的阶段中,全球光通信行业2014年CR5达到50%。其中,全球最大的光通信器件供应商为美国公司Finisar,2014年其销售总额达全球的16%。

数据来源:EPIC


我国光通信行业虽然起步较晚,但由于人口基数庞大且电信运营商大量投入资本建设,在短短数年里我国已经成为光模块大国。根据ICCSZ统计,2011年中国光模块市场收入约为9.5亿美元,在全球占比约31.2%;至2015年,中国光模块市场收入已增至16.2亿美元,增速远超全球平均水平,在全球占比也随之上升至35.1%。我国目前光纤用户已经达到1.9亿户,为全球第一,但普及率只有19.5%,远远落后于发达国家50%以上的水平,仍有较大的发展空间,有望在2020年超过25亿美元水平。

数据来源:ICCSZ、LightCounting


虽然中国拥有如华为、中兴这类极具国际竞争力的光学设备巨头,但其上游没有与之相匹配的光模组/光器件厂家。大多数厂家规模较小,目前较为知名的企业有光迅科技、博创科技、特发信息、中际装备和新易盛等。


激光雷达
激光领域另一个热点是激光雷达。激光雷达,是利用激光、全球定位系统GPS和惯性测量装置,获得探测目标位置、速度等特征量数据的高精度雷达系统。长期以来,激光雷达大量用于军事、科研、测绘领域,近年来,由于机器人、等无人驾驶的兴起,激光雷达开始进入商用化阶段。
激光雷达的工作原理与常见无线电雷达非常相近。由激光器发射出的脉冲激光或连续波激光由空中入射到地面上,打到环境周边如树木、道路、房子等之上,引起散射。一部分光波会经过反射返回到激光雷达的接收器中。接收器通常是一个光电倍增管或一个光电二极管,它将光信号转变为电信号,记录下来。同时由所配备的计时器记录下来同一个脉冲光信号由发射到被接收的时间,从而通过内置算法进行距离、速度等量的计算。


▶ 激光雷达原理
激光雷达和无线电雷达的主要区别是激光雷达发射的是可见和近红外光波,而无线电雷达使用的是无线电波。这一区别使激光雷达工作频率高了许多,也带来了诸如分辨率更高,隐蔽性好、抗有源干扰能强,体积小、质量轻等明显优点。
激光雷达最初起源于军事需要,凭借激光雷达实现高清晰度的成像可以收集足够多的细节来识别敌方目标,被广泛应用于追踪、火控、火力引导等。民用领域中,激光雷达可分为一维激光雷达、二维激光雷达、三维激光扫描仪和三维激光雷达。


在民用领域,激光雷达长期以来只应用于测绘领域。随着激光雷达技术不断革新,精度和性能大幅提高,其作为计算机感知外界地形、障碍的有效工具,正在不断扩展应用领域,如无人驾驶汽车、机器人、自动化生产、地形勘探、安防、采矿等领域。

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激光雷达在机器人、无人驾驶中广泛运用


根据Markets and Markets的预测,2014年激光雷达全球市场空间已达到2.5亿美元,2014年到2020年预计保持16.3%的复合增长率,于2020年将达到6.25亿美元的市场空间。其中,激光器的销售量预计达1.85亿美元。

数据来源:Marketsand Markets


国外激光雷达市场起步较早,涉足企业主要为瑞士Leica、加拿大Optech、奥地利Riegl、美国Trimble等老牌测绘公司,其中Leica、Optech等公司主要致力于机载激光雷达的开发与制造。近几年,随着无人驾驶技术的大力推进,开始涌现出了以美国Velodyne、德国Ibeo等为代表的专注于无人驾驶三维激光雷达研发的企业。
国内市场发展较晚,在三维激光雷达技术上与国外具有较大差距,但在用于扫地机器人等中低端服务机器人上的二维激光雷达上,国内的技术与国外相比已没有太大的差距。目前,国内有包括巨星控股、镭神智能、北科天绘等公司专注于激光雷达的研发。

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