科研人员开发出基于预啁啾管理放大技术高增益高平均功率光纤激光器
高功率超快光纤激光具有光束质量好、散热性能佳、转换效率高、体积尺寸小等优势,在工业制造、国防军事及医疗检测等领域具有重要应用。除了工业领域脆性材料加工和微纳结构制造方面日益增长的需求外,高重频高功率超快光纤激光在高通量高次谐波及阿秒脉冲产生等科研领域也发挥着日益重要的作用。目前在超快光纤激光领域,驱动激光一般由啁啾脉冲放大技术加额外的后置压缩级来产生小于50fs的脉冲宽度。此方案的后置压缩级一般采用复杂的充气装置,因此系统复杂度较高。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理实验室科研人员在长期开展超快激光脉冲产生及放大的基础上,利用研究员常国庆提出的双通放大的预啁啾管理放大(Double-pass PCMA,DP-PCMA)技术,与西安电子科技大学合作,在棒状光子晶体光纤中实现了高增益高平均功率的超短脉冲输出。科研人员利用数十毫瓦的弱小信号仅通过结构紧凑的一级放大器就获得了平均功率大于100W、增益高达38dB的超短脉冲,优化参数补偿色散后脉冲宽度短至37fs。
图1.优化的实验装置图
实验装置如图1所示,振荡器及预放大后的小信号光先经过偏振分束器及旋光器等器件后,以水平偏振注入棒状光纤进行第一通放大,再由后面的旋光器和反射镜返回并旋转至竖直偏振后再次注入棒状光纤进行第二通放大,预啁啾光栅对放置在两通放大之间,双通放大后的输出光分为主输出和次输出,绝大部分激光从主输出口输出并被光栅对压缩。科研人员将预啁啾管理放大技术与双通放大技术相结合,利用双通放大的高增益特性允许将振荡器输出的数十毫瓦弱小信号直接放大到百瓦量级的特点,简化了实验装置,并通过优化装置参数,在负啁啾下得到了兼具高平均功率和极短脉宽的结果。图2蓝色曲线是利用6片啁啾镜得到的压缩结果,对应脉宽55fs, 平均功率100W。该研究成果揭示出双通预啁啾管理放大系统中非线性相移量影响功率输出的本质特性,并提供了一种结构紧凑、具有高增益的超快光纤激光系统建造方法。进一步结合分脉冲放大技术,该方案有望成为高通量阿秒高次谐波驱动源的有效手段。
图2.(a)负啁啾下优化输出时的放大光谱与压缩脉冲自相关曲线(b)压缩脉冲自相关曲线
相关研究成果以Double-pass pre-chirp managed amplification with high gain and high average power为题,发表在Optics letters上。研究工作得到广东省重点领域研发计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划、脉冲功率激光技术国家重点实验室开放研究基金以及中科院青年创新促进会等的资助。
来源:中国科学院物理研究所
发布时间 : 2021-08-19
从电子消费走向汽车场景,VCSEL激光器行业或将迎来百亿市场
近几年,随着5G的发展与普及,3D成像和传感技术将迎来新一轮高速成长,撬动增强现实和虚拟现实(AR/VR)、智能手机、智能汽车等多个领域发展,加速万物互联时代的到来。VCSEL作为3D成像和传感系统核心器件,正处于智能互联产业的金字塔尖。
01
VCSEL是什么
用于3D测距的激光光源种类有几种,如旋转式的FPLD、照射式的EEL、VCSEL等,不同的光源在扫描方式和发射距离上各有差距。
传统的光电转换技术一般采用通过边缘发射的LED等发光器件,这种发光器件体积大,功耗高,精确度低,因此较难和半导体技术结合。而VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser),即垂直腔面发射激光器,主要结构由p型和n型两个分布式布拉格反射镜(DBR)及中间的有源区构成,其激光垂直于顶面射出,具备高输出功率、高转换效率和高质量光束等优点。目前VCSEL广泛应用于数据通信、消费电子、汽车工业等各种传感领域,相比于传统的LED或EEL激光器,VCSEL在体积、功耗、性能等方面占据优势。
02
电子消费激发VCSEL产业活力
自1977年日本东京工业大学的伊贺健一最初提出VCSEL概念起,VCSEL至今已有44年发展史,但多数人依旧对VCSEL感到陌生,实际上它早已在我们的日常生活中默默扮演“重要角色”。
2004年,VCSEL首次进入消费电子产品:罗技MX1000激光无线鼠标,成为激光定位传感器的光源。
2016年,VCSEL借助测距传感器进入苹果iPhone 7系列手机,实现人脸接近感测、自动对焦等功能。同年,VCSEL也开始应用于苹果AirPods耳机,实现佩戴监测功能。
2017-2019年,VCSEL首次进入苹果iPhone X手机,成为3D人脸识别的核心器件,至此,苹果多款产品的应用推动VCSEL市场规模迈上新台阶,并引爆整个VCSEL产业的发展,随后安卓阵营也推出多款集成3D传感技术的手机。
值得留意的是,2020年可寻址VCSEL阵列进入苹果新款iPad Pro平板电脑和iPhone 12 Pro系列智能手机,首次搭载了基于dToF技术的激光雷达,在消费电子领域第一次出现激光雷达的身影。这将大幅优化手机在影音娱乐、视频影像等方面的用户体验。权威机构Yole在报告中指出,2022年智能手机的屏下摄像头或可实现人脸识别和摄像功能,使得VCSEL的波长有所变化。
VCSEL的发展趋势将影响其制作工艺 来源:Yole
通过以上的“发家史”,不难看出VCSEL在消费电子领域正火热起来,在这过程中苹果手机显然主导了VCSEL的使用,预计这种情况还会继续,目前国内手机厂商也纷纷跟进使用这一技术。据麦姆斯咨询公司的测算,2023年VCSEL全球出货量将达到30亿颗。
VCSEL在全球手机厂商中的应用变化 来源:Yole
03
未来发展趋势:由消费走向汽车场景
近年来,随着国内汽车行业“电动化、智能化”的发展,车载激光雷达已成为自动驾驶的必备传感器。据了解,全球范围内自动驾驶量产车项目当前处于快速开发之中,随着激光雷达成本下探至数百美元区间且达到车规级要求,未来在汽车应用市场将呈爆发式增长。Yole的研究报告表明,至2025年全球乘用车新车市场L3级自动驾驶的渗透率将达约6%,即每年将近600万辆新车将搭载激光雷达。
VCSEL的应用领域开始由消费电子延伸至汽车场景,其市场规模的不断增长,助推VCSEL的技术迭代。其中,多结技术被业内人士认为是VCSEL行业的下一个飞跃,其优点为高功率、高效率、高斜率、低功耗等方面,在高性能全固态中、远程汽车激光雷达的应用中具有重要意义。据悉,在2020-2021年期间,多结VCSEL阵列已成为全球各大厂商陆续重点布局的产品,有专家表示,未来5-10年VCSEL有望逐渐取代EEL成为主流的激光元器件。除了汽车场景,大功率、高性能VCSEL的研发,让工业应用成为VCSEL另一个主要发力的方向,例如工业加热、环境监测、智能物流等基础设施。
VCSEL进入汽车、工业、医疗等领域 来源:Yole
04
VCSEL多领域发展,将迎百亿元市场
2021年7月底,根据全球权威机构Yole发表的《VCSEL-2021年技术和市场趋势》报告显示,在手机消费、通信设备、汽车工业等多产业的推动下,全球VCSEL市场预计将从2021年的12亿美元增长到2026年的24亿美元,期间复合年增长率为13.6%。
其中,手机消费市场预计将增长到17亿美元,复合年增长率为16.4%;电信和其设施市场将增长至5.66亿美元,复合年增长率为5.6%;工业应用市场预计将增长至2100万美元,复合年增长率为6.3%;安防市场预计将增长至700万美元,复合年增长率为17.1%;医疗市场预计将增长至200万美元,复合年增长率为32.4%;汽车和其通信设备市场预计将增长至5700万美元,复合年增长率为121.9%,主要应用于激光雷达和驾驶员监控等汽车场景。
VCSEL市场规模5年内或将翻一番 来源:Yole
05
市场竞争激烈,自建产业链大势所趋
毫无疑问,VCSEL伴随着信息技术的发展,将会开发出更多应用场景,市场需求量也会随之水涨船高,这些新场景的应用,则是推动VCSEL往大功率、高集成等方向发展的源动力。国内VCSEL产业在崛起的同时,产业链之间的企业竞争愈演愈烈。目前从行业趋势来看,VCSEL公司想要在市场中笑到最后,构建全产业链的资源整合是不二之选,拥有自己的产线与生产工艺,是保持产品低成本、开发响应速度快、质量把控度高等优势的基本条件。
可以预见,VCSEL在手机、汽车、工业等市场需求的推动下,国内VCSEL产业链日臻成熟,各大厂商也会凭借自己的产品优势,在未来的市场竞争中各自大放异彩。
来源:稀金网电商
发布时间 : 2021-08-17