大功率半導體激光器及其應用課件

大功率半導體激光器及應用大功率半導體激光器及應用概述一、激光二、半導體激光器三、大功率半導體激光器研究進展四、半導體激光器的典型應用五、半導體激光器市場及發(fā)展前景概述一、激光一、激光激光技術、計算機技術、原子能技術、生物技術，并列為二十世紀最重要的四大發(fā)現。是人類探索自然和改造自然的強有力工具。與電子電力技術、自動化測控技術的完美結合，使激光技術能夠更好的為人類創(chuàng)造美好生活。

一、激光激光技術、計算機技術、原子能技術、生物技術，并列1、激光的概念激光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

，LASER）一詞是受激輻射光放大。1960年，美國物理學家梅曼（Maiman）在實驗室中做成了第一臺紅寶石(Al2O3:Cr)激光器。我國于1961年研制出第一臺激光器（長春光機所，長春光機學院）從此以后，激光技術得到了迅速發(fā)展，引起了科學技術領域的巨大變化。CharlesH.Townes（湯森)ArthurL.Schawlow（肖洛夫）Maiman（梅曼）1、激光的概念激光（LightAmplification原子和能級按量子力學理論，原子具有的能量是隨原子種類不同而不等的離散性數值，可以用電子的動能和勢能之和表達。原子能量的任何變化（吸收或輻射）都只能在某兩個定態(tài)之間進行。原子的這種能量的變化過程稱之為躍遷。三種類型的躍遷：吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。E1E3E2原子和能級按量子力學理論，原子具有的能量是隨原子種類不同而不光子的吸收一個原子開始時處于基態(tài)E1，若不存在任何外來影響，它將保持狀態(tài)不變。如果有一個外來光子，能量為hv，與該原子發(fā)生相互作用。且hv=E2-E1，其中：E2為原子的某一較高的能量狀態(tài)-激發(fā)態(tài)。則原子就有可能吸收這一光子，而被激發(fā)到高能態(tài)去。這一過程被稱之為吸收。只有外來光子的能量hv恰好等于原子的某兩能級之差時，光子才能被吸收。E1E3E2hvE1E3E2光子的吸收一個原子開始時處于基態(tài)E1，若不存在任何外來影響，自發(fā)輻射處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的。它們在激發(fā)態(tài)停留的時間非常短（數量級約為10-8s），會自發(fā)地返回基態(tài)去，同時放出一個光子。這種自發(fā)地從激發(fā)態(tài)躍遷至較低的能態(tài)而放出光子的過程，叫做自發(fā)輻射。

hv自發(fā)輻射示意圖E1E3E2自發(fā)輻射處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的。它們在激發(fā)態(tài)停留的時間非自發(fā)輻射的特點這種過程與外界作用無關。各原子的輻射都是獨立地進行。因而所發(fā)光子的頻率、初相、偏振態(tài)、傳播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹燈管內充有低壓惰性氣體，在管兩端加上高電壓來激發(fā)氣體原子，當它們從激發(fā)態(tài)躍遷返回基態(tài)時，便放出五顏六色的光彩。自發(fā)輻射的特點這種過程與外界作用無關。各原子的輻射都是獨立地受激輻射激發(fā)態(tài)的原子，受到某一外來光子的作用，而且外來光子的能量恰好滿足hv=E2-E1，原子就有可能從激發(fā)態(tài)E2躍遷至低能態(tài)E1，同時放出一個與外來光子具有完全相同狀態(tài)的光子。這一過程被稱為受激輻射E1E2hvE1E2hvhv受激輻射示意圖受激輻射激發(fā)態(tài)的原子，受到某一外來光子的作用，而且外來光子的2、產生激光的必要條件粒子數反轉：選擇具有適當能級結構的工作物質，在工作物質中能形成粒子數反轉，為受激輻射的發(fā)生創(chuàng)造條件；光學諧振腔：選擇一個適當結構的光學諧振腔。對所產生受激輻射光束的方向、頻率等加以選擇，從而產生單向性、單色性、強度等極高的激光束；一定的閾值條件：外部的工作環(huán)境必須滿足一定的閾值條件，以促成激光的產生。2、產生激光的必要條件粒子數反轉：選擇具有適當能級結構的工作3、激光的特點方向性好：激光是沿一條直線傳播，能量集中在其傳播方向上。其發(fā)散角很小，一般為10-5～10-8球面度。單色性強：從普通光源（如鈉燈、汞燈、氪燈等）得到的單色光的譜線寬度約為10-2納米，而氦氖激光器發(fā)射的632.8納米激光的譜線寬度只有10-9納米。亮度高：一臺普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大10億倍。相干性好：普通光源（如鈉燈、汞燈等）其相干長度只有幾個厘米，而激光的相干長度則可以達到幾十公里，比普通光源大幾個數量級。3、激光的特點方向性好：激光是沿一條直線傳播，能量集中在其傳4、激光器的種類按工作物質的性質分類氣體激光器：氦一氖氣體激光器，方向性好，單色性好，輸出功率和波長能控制得很穩(wěn)定。固體激光器：典型代表有Nd3+:YAG，能量大、峰值功率高、結構緊湊、牢固耐用等優(yōu)點。半導體激光器：以半導體為工作物質，常用材料有GaAs、InP等。具有小型、高效率、結構簡單等優(yōu)點液體激光器：有機化合物液體（染料）和無機化合物液體激光器，波長可調諧且調諧范圍寬廣、可產生極短的超短脈沖、可獲得窄的譜線寬度。按工作方式區(qū)分連續(xù)型脈沖型4、激光器的種類按工作物質的性質分類5、其它激光器光纖激光器化學激光器氣動激光器色心激光器自由電子激光器單原子激光器X射線激光器5、其它激光器光纖激光器二、半導體激光器1962年，美國，同質結GaAs半導體激光器，液氮溫度下脈沖工作。1967年，液相外延的方法制成單異質結激光器，實現了在室溫下脈沖工作。1970年，美國的貝爾實驗室制成了雙異質結半導體激光器,實現了室溫連續(xù)工作。70年代以后。量子阱技術、MBE、MOCVD新型外延技術---量子阱激光器（閾值電流密度低、電光轉換效率高、輸出功率大）。應變量子阱，生長非晶格匹配的外延材料，拓寬了激光器波長范圍。1965年中國北中科院北京半導體所。二、半導體激光器1962年，美國，同質結GaAs半導體激光器激光二極管激光二極管1、半導體激光器的特性轉換效率高：>70%。體積小：<1mm3壽命長，可達數十萬小時輸出波長范圍廣：0.6-1.1um，2~3um。易調制：直接調制缺點：發(fā)散角大，光束質量差。1、半導體激光器的特性轉換效率高：>70%。2、半導體激光器的分類半導體激光器通?？梢园凑瞻雽w材料，發(fā)射波長，器件的結構，輸出功率進行分類。大功率半導體激光器的種類：單管：寬條形激光二極管Bar條：線列陣激光二極管疊層：面陣激光二極管2、半導體激光器的分類半導體激光器通?？梢园凑瞻雽w材料，發(fā)3、激光二極管工作原理產生的激光條件受激輻射放大光學振蕩反饋激光的閾值條件：增益大于損耗半導體激光器的三個問題光增益諧振腔發(fā)光效率3、激光二極管工作原理產生的激光條件半導體物理基礎知識能帶理論直接帶隙和間接帶隙半導體能帶中電子和空穴的分布量子躍遷半導體異質結半導體激光器的材料選擇半導體物理基礎知識能帶理論能帶理論:晶體中原子能級分裂晶體中的電子作共有化運動，所以電子不再屬于某一個原子，而是屬于整個晶體共有晶體中原子間相互作用，導致能級分裂，由于原子數目巨大，所以分裂的能級非常密集，認為是準連續(xù)的，即形成能帶半導體中電子的能級與金屬有本質的區(qū)別，在半導體中原子和價電子間的相互作用使價電子分成被禁帶相隔的價帶和導帶。在金屬中，不同的能帶交疊形成一個有部分充滿電子的能帶單晶Si的二維結構和能帶圖Li原子和金屬的能帶結構圖能帶理論:晶體中原子能級分裂晶體中的電子作共有化運動，所以電能帶中電子和空穴的分布能帶中電子和空穴的分布摻雜半導體-n型半導體(As-Si)摻雜半導體-n型半導體(As-Si)摻雜半導體-p型半導體(B---Si)摻雜半導體-p型半導體(B---Si)n型半導體和p型半導體能帶圖n型半導體和p型半導體能帶圖光的受激輻射、自發(fā)輻射和吸收對應的躍遷光的受激輻射、自發(fā)輻射和吸收對應的躍遷直接帶隙和間接帶隙半導體直接帶隙半導體躍遷幾率高，適合做有源區(qū)發(fā)光材料（如GaAs，InP，AlGaInAs）間接帶隙半導體電子躍遷時：始態(tài)和終態(tài)的波矢不同，必須有相應的聲子參與吸收和發(fā)射以保持動量守恒，所以躍遷幾率低。（如：Si，Ge等）直接帶隙和間接帶隙半導體直接帶隙半導體躍遷幾率高，間接帶隙半直接帶隙半導體能帶圖電子吸收光子躍遷到導帶上，在價帶上就會產生一個空穴。電子—空穴對的輻射復合而產生半導體激光器的光增益直接帶隙半導體更容易產生輻射。多數的三五族化合物半導體是直接帶隙半導體。直接帶隙半導體能帶圖電子吸收光子躍遷到導帶上，在價帶上就會半導體激光器的材料選擇發(fā)射波長：半導體激光器的波長由禁帶寬度決定-晶體材料決定。晶格常數與襯底匹配半導體激光器的三個問題：光增益、諧振腔、發(fā)光效率半導體激光器的材料選擇發(fā)射波長：半導體激光器的波長由禁帶寬度3.1半導體中的光增益激光二極管采用注入電流直接驅動。pn結加正向電壓，空穴將會向n型區(qū)移動，電子向p型區(qū)移動。在pn結處，電子和空學復合，產生光電子。注入的電荷密度1018~1019cm-3，產生的光子就會大于損失的光子。

早期激光二極管采用的是GaAs同質結結構。有源層的厚度由擴散長度決定，一般為2μm。3.1半導體中的光增益激光二極管采用注入電流直接驅動。早期雙異質結構激光二極管的結構雙異質結構激光二極管的結構量子阱結構量子阱結構單量子阱結構現代的激光二極管，有源區(qū)采用量子阱結構，厚度約為10nm。單量子阱結構現代的激光二極管，有源區(qū)采用量子阱結構，厚度約為多量子阱結構多量子阱結構量子阱作為有源區(qū)的幾點優(yōu)勢

量子阱外帶隙大，注入載流子被限制在QW區(qū)域產生反轉。由于量子阱很薄，注入電流密度比同質結減少了1000倍。載流子被有效的捕捉進量子阱中，使其沒必要將摻雜物質摻雜到靠近結處。輻射復合的效率超過90%，好的材料能達到接近100%。低摻雜導致了很低的內部損失。因此QW結構使長腔激光器有很高的外部效率。（增加腔長來減少熱效應和串聯(lián)電阻）量子阱厚度為10nm。這樣的薄層允許材料的晶格常數GaAs有一些失配。將Ga的一部分換成In，波長將會達到1100nm。引入的張力進一步提高了態(tài)密度的分布，閾值電流密度大概為200A/cm2。將As換成P，波長范圍可擴展到730nm。量子阱作為有源區(qū)的幾點優(yōu)勢量子阱外帶隙大，注入載流子被限制幾種波長激光二極管的材料組份幾種波長激光二極管的材料組份3.2光學諧振腔3.2光學諧振腔3.2.1垂直波導結構垂直結構，也就是外延層結構，包括光波導和采用量子阱的PN結。波導的設計利用了折射率n隨禁帶寬度變化這一特點（禁帶寬度增加折射率降低）。QW被鑲嵌在高折射率材料的核心區(qū)，蓋層的折射率比核心區(qū)要低。AlAs：折射率為2.9，禁帶寬度2.9eV。GaAs：折射率為3.5，禁帶寬度1.4eV。分別限制異質結（SCH）3.2.1垂直波導結構垂直結構，也就是外延層結構，包括光波垂直波導結構的設計對于大功率，高效率激光二極管，波導的設計就是對幾個不利因素的優(yōu)化。對于TM模，限制因子Γ：光束的強限制因子導致了大的腔面載荷和大的光束發(fā)散層結構影響串聯(lián)電阻和熱阻。好的墻插效率和熱穩(wěn)定性需要對薄層結構的光波進行優(yōu)化垂直波導結構的設計對于大功率，高效率激光二極管，波導的設計就810nm外延結構圖有源層是一個張應力GaAsP量子阱結構，厚度為15nm。芯層由Al0.45Ga0.65As組成。蓋層為70%的AlAs。隨著芯層的厚度增加光束發(fā)散角和腔面承受的功率密度會而急劇減?。↙OC為大光學腔）。增加腔長可以彌補由于低限制因子對增益的影響，獲得高效率激光器810nm外延結構圖有源層是一個張應力GaAsP量子阱結構，3.2.2橫（側）向波導層結構給出了有效折射率的值，這個值接近芯層折射率。任何一個對波導結構折射率的影響都會改變有效折射率。側向有效折射率發(fā)生變化，波導就類似于垂直結構，與通常的波導相似形成了芯層和蓋層。對于大功率激光二極管器，產生一個弱波導。弱波導有更大的基模尺寸，更低的腔面載荷和更高的輸出功率。3.2.2橫（側）向波導層結構給出了有效折射率的值，這個值寬條形激光器有效折射率隨注入電流增加降低。串聯(lián)電阻和非輻射復合影響，層結構的溫度上升，使折射率上升。這兩種效應都可改變有效折射率，數值為10-4~10-3。在閾值處，載流子的影響占主要作用。產生了由于折射率退化而產生的反波導效應。反波導導致了光學損失，在閾值附近效率有輕微下降。在閾值之上，激光器熱效應的影響占主要地位。在電流注入區(qū)的折射率更高，使得激光器有標準的折射率導引。效率稍有提高，但激光發(fā)散角也稍有增長。

寬條形激光器有效折射率隨注入電流增加降低。折射率導引激光器（IndexguideLD）強折射率導引的掩埋異質結激光器（BH-LD）折射率導引激光器（IndexguideLD）強折射率導引弱折射率導引激光器脊波導激光器（RWG-LD）改變側向的層結構，使有效折射率產生變化。其中最容易的辦法是在P面刻蝕蓋層，將一部分波導層腐蝕，選擇低折射率材料代替，如Al2O3或Si3N4，有效折射率將減小。在大功率器件中此結構常被采用作為模式選擇過濾器弱折射率導引激光器脊波導激光器（RWG-LD）改變側向的層結4.發(fā)光效率F-P激光器的轉換效率（插頭效率）ηi

內量子效率，受非輻射復合和載流子泄露影響。第二部分是輸出耦合和總的諧振腔損耗的關系第三部分代表了獲得注入電流必要電壓和的實際電壓的關系，包括了由芯片內、外部串聯(lián)電阻引起的附加電壓。第四相描述激光器的工作電流超過閾值電流。4.發(fā)光效率F-P激光器的轉換效率（插頭效率）5、制造技術基本的半導體激光器由晶體襯底上的有源層，注入電流的金屬電極，和兩個腔面面構成的諧振腔組成。制造激光器需要以下步驟在襯底上進行外延生長表面圖形制作，形成絕緣區(qū)和導電區(qū)解理和腔面鍍膜形成諧振腔將芯片固定在熱沉上5、制造技術基本的半導體激光器由晶體襯底上的有源層，注入電5.1外延生長技術對大功率激光二極管來說半導體三五族外延生長，尤其是GaAs生長至關重要。外延生長方法液相外延：優(yōu)點是很容易生長很厚的外延層。氣相外延（MOCVD)：可精確控制元素組分和沉積厚度分子束外延（MBE）：5.1外延生長技術對大功率激光二極管來說半導體三五族外延生MOCVD/MOVPEMOVPE（metal-organicvaporphaseepitaxy)襯底由裝片位置A移動到生長位置B。在生長過程中，金屬有機化合物和氫化物進入反應室，這些物質分解并沉積在熱的基底上。沉積溫度通常在600~800°CMOVPE的生產規(guī)模大也是其優(yōu)勢之一。材料的危險和工藝的復雜是MOVPE的缺陷。MOCVD/MOVPEMOVPE（metal-organicMBEMBE是制造相同器件的另一種方法。與MOVPE不同，MBE采用不同元素的分子束，不采用氣體形式。因此，除了對組分，沉積速率和層厚度有良好的控制以外，MBE可提高外延片的純度。MBE的不足之處是設備的成本和層均勻與分子束相互依賴限制了大規(guī)模生產。MBEMBE是制造相同器件的另一種方法。與MOVPE不同，大功率半導體激光器對外延的要求

精確控制摻雜水平精確控制每層的元素組分每層的雜質得到精確限制控制生長層的能力（從單原子層到幾微米）在生長條件下有改變化合物組分的能力有好的可重復性和均勻性大功率半導體激光器對外延的要求精確控制摻雜水平5.2、器件工藝光刻：在半導體層上的刻槽限制電流橫向擴散和防止在垂直于傳播方向上產生激光。淀積絕緣層：限制電流注入區(qū)金屬化：形成P型、N型的金屬接觸。解理：構成了諧振腔5.2、器件工藝光刻：在半導體層上的刻槽限制電流橫向擴散和光刻光刻介質膜的沉積介質膜經常用PECVD（plasma-enhancedchemicalvapordeposition等離子體增強化學氣相淀積）方法進行沉積介質膜的沉積介質膜經常用PECVD（plasma-enha金屬化金屬區(qū)必須滿足：有效將電流注入到半導體中在整個接觸面積上有很好的電流擴散良好的導熱性，可以很好地將器件產生的廢熱排除與周圍封裝有穩(wěn)定的機械接觸P面濺射TiPtAu減薄N面TiAu金屬化金屬區(qū)必須滿足：P面濺射TiPtAu5.3、腔面鍍膜腔面膜必須滿足以下性質：穩(wěn)定的化學和機械特性好的粘附性機械應力較低在激射波長處有較高的透明度光學特性可調5.3、腔面鍍膜腔面膜必須滿足以下性質：5.4、封裝芯片的封裝主要是將芯片高質量地裝配在熱沉上，同時保證有效的電接觸和熱接觸。高功率半導體激光器的封裝：有效降低芯片工作時廢熱的積累，提高激光器的輸出功率和工作壽命。芯片焊接技術高效冷卻技術組裝技術5.4、封裝芯片的封裝主要是將芯片高質量地裝配在熱沉上，同時芯片焊接技術銦焊工藝：銦焊料在高電流下易產生電遷移和電熱遷移的問題，影響半導體激光器的穩(wěn)定性。AuSn焊工藝金錫焊料不能像銦焊料那樣有效地釋放熱應力，巴條和熱沉之間增加了熱膨脹系數匹配的緩沖層不同焊料封裝激光器加速壽命測試對比曲線芯片焊接技術銦焊工藝：不同焊料封裝激光器加速壽命測試對比曲線高效冷卻技術傳導冷卻膨脹系數匹配微通道熱沉高效冷卻技術傳導冷卻組裝技術水平封裝陣列垂直封裝陣列組裝技術水平封裝陣列6、半導體激光器光纖耦合技術一種新型的封裝形式改善光束質量便于應用光纖耦合器件的優(yōu)點體積小、重量輕、亮度高等；可繞性好、孔徑小、損耗低及改善光場分布。應用領域通訊、醫(yī)療、材料處理、泵浦固體激光器、激光測距、激光制導、激光夜視等。6、半導體激光器光纖耦合技術一種新型的封裝形式大功率半導體激光器的光束特點輸出光束極不對稱輸出光束存在很大像散大功率半導體激光器的光束特點輸出光束極不對稱光纖耦合技術根據光束的數量的不同分為:單光束耦合:利用單發(fā)射區(qū)激光器與光纖耦合的技術稱作單光束耦合技術.多光束耦合:采用利用多只單發(fā)射區(qū)激光器激光束合束后耦合進光纖輸出的技術稱作多光束耦合技術。光纖耦合技術根據光束的數量的不同分為:6.1單光束耦合單光束耦合系統(tǒng)可以分為兩類：直接耦合：光纖直接耦合與光纖微透鏡直接耦合。間接耦合：采用分立的小型或微型光學元件構成的間接耦合；6.1單光束耦合單光束耦合系統(tǒng)可以分為兩類：6.1.1直接耦合

（1）LD與多模光纖的直接耦合(a)平行于pn結平面(b)垂直于pn結平面直接耦合示意圖

6.1.1直接耦合（1）LD與多模光纖的直接耦合(a)耦合效率理論計算曲線

影響耦合效率的因素：調整精度、光纖端面的加工精度等工藝因素。激光器的近場寬度，光纖的數值孔徑。在發(fā)光區(qū)不變的情況下，光纖數值孔徑的減小耦合效率迅速降低。大功率LD在垂直于pn方向的近場寬度很小，因此LD與多模光纖的直接耦合效率較低。耦合效率理論計算曲線影響耦合效率的因素：（2）光纖微透鏡直接耦合

采用一定加工工藝把光纖端面制作成一定大小和形狀的微透鏡，直接對向大功率半導體激光器的發(fā)光面，使半導體激光器的光束高效耦合進光纖中。常用的光纖微透鏡形式有半球形、圓錐形、錐端球面形、橢雙曲面形、楔形等。特點：光纖微透鏡的尺寸不大于光纖直徑，相比分立微光學元件構成的光學耦合系統(tǒng)，光纖微透鏡直接耦合有著靈活方便，易于集成封裝，制作效率高等優(yōu)點。廣泛應用于光纖與光源、放大器、DWDM模塊、泵浦光源等耦合中。（2）光纖微透鏡直接耦合采用一定加工工藝把光纖端面制作成典型的透鏡光纖耦合系統(tǒng)

典型的透鏡光纖耦合系統(tǒng)透鏡光纖的加工方法

（a）蝕刻法（b）熔拉法（c）研磨拋光法（d）激光切削法透鏡光纖的加工方法（a）蝕刻法（b）熔拉法（c）研磨拋研磨法加工的光纖微透鏡實例研磨法加工的光纖微透鏡實例6.1.2間接耦合由分立微光學元件構成的光學耦合系統(tǒng)：球透鏡柱透鏡自聚焦透鏡雙曲面透鏡組合透鏡特點是可以最大限度地降低反射損耗、消除像差的影響、改善光束非圓對稱性，實現高效率的耦合。6.1.2間接耦合由分立微光學元件構成的光學耦合系統(tǒng)：（1）微柱透鏡的光纖耦合

利用圓柱微透鏡對半導體激光器光束進行準直或聚焦提高光纖耦合效率通常采用一段大數值孔徑的光纖代替圓柱微透鏡，制作簡單、成本低廉。利用圓柱透鏡光纖耦合原理示意圖（1）微柱透鏡的光纖耦合利用圓柱微透鏡對半導體激光器光束進（2）自聚焦透鏡光纖耦合自聚焦透鏡GrinLens：又稱為梯度變折射率透鏡，是指其折射率分布是沿徑向漸變的柱狀光學透鏡。具有聚焦和成像功能利用自聚焦透鏡光纖耦合原理示意圖（2）自聚焦透鏡光纖耦合自聚焦透鏡GrinLens：又稱為（3）雙曲面微透鏡的光纖耦合

為了提高耦合效率不僅需要對LD輸出光束快軸方向進行聚焦準直，有時還需要對慢軸方向準直聚焦。一種具有雙曲率半徑結構的微透鏡，可對半導體激光器輸出光束的快軸和慢軸同時聚焦，并與多模光纖耦合。雙曲面透鏡結構示意圖（3）雙曲面微透鏡的光纖耦合為了提高耦合效率不僅需要對LD雙曲面透鏡耦合原理雙曲面透鏡耦合原理（4）組合透鏡光纖耦合利用組合透鏡光纖耦合示意圖（4）組合透鏡光纖耦合利用組合透鏡光纖耦合示意圖各種耦合方法的比較自聚焦透鏡和圓柱透鏡結構最簡單、調整方便，但耦合效率相對比較低；組合透鏡方法效率比較高，但結構復雜，調整比較困難。雙曲面透鏡法，結構簡單調整方便，耦合效率高。其缺點是雙曲面透鏡制作比較困難，成本高。各種耦合方法的比較自聚焦透鏡和圓柱透鏡結構最簡單、調整方便，6.2多光束光纖耦合技術將多個激光二極管或激光二極管陣列的輸出光束耦合進光纖中－多光束耦合技術?；诩す舛O管列陣的多光束耦合技術基于多只單管串聯(lián)的多光束耦合技術6.2多光束光纖耦合技術將多個激光二極管或激光二極管陣列的6.2.1基于激光二極管列陣的多光束耦合由于激光二極管列陣上的發(fā)光單元本身發(fā)光區(qū)幾何尺寸的不對稱，并且在平行pn結方向上集成了數十個發(fā)光單元，激光二極管列陣的輸出光束在垂直pn結方向(快軸方向)的光束質量因子和平行pn結方向(慢軸方向)的光束質量因子相差很大。因此，必須采用光束整形技術對光束進行對稱化處理。光纖列陣耦合方法微光學系統(tǒng)耦合方法6.2.1基于激光二極管列陣的多光束耦合由于激光二極管列（1）光纖列陣耦合方法

光纖列陣耦合方法是通過微光學系統(tǒng)將激光器列陣各發(fā)光單元與數目相同的光纖列陣一一對準、耦合，在光纖另一端集束輸出。（1）光纖列陣耦合方法光纖列陣耦合方法是通過微光學系統(tǒng)將激特點光纖列陣耦合方式中，光纖列陣需要精密排列，排列周期應等于激光二極管列陣的單元周期，因此需要加工特殊設計的精密V形槽或U形槽列陣，用以排列固定光纖列陣。優(yōu)點：耦合光纖系統(tǒng)相對簡單，成本低。缺點：光纖束直徑較大，功率密度較低。

特點光纖列陣耦合方式中，光纖列陣需要精密排列，排列周期應（2）微光學系統(tǒng)耦合方法

微光學系統(tǒng)耦合方法是通過微光學系統(tǒng)(微透鏡、微棱鏡列陣等)對光束進行整形、變換，再通過非球面透鏡聚焦耦合到單根光纖中。（2）微光學系統(tǒng)耦合方法微光學系統(tǒng)耦合方法是通過微光學系統(tǒng)常用耦合方法

微透鏡陣列耦合微棱鏡列陣耦合階梯式微型反射鏡耦合

常用耦合方法微透鏡陣列耦合光纖耦合微透鏡光學組件德國LIMO公司生產的BTS和HOC透鏡組BTS結構示意圖光纖耦合微透鏡光學組件德國LIMO公司生產的BTS和HOC透微棱鏡列陣耦合

微棱鏡列陣耦合階梯式微型反射鏡耦合

階梯式微型反射鏡耦合特點這些方法通過微透鏡、微棱鏡列陣等，對光束進行整形、變換，將列陣器件中各發(fā)光單元的輸出光束變換為平行光束，再通過非球面透鏡聚焦耦合到單根光纖中。然而，像微棱鏡、微階梯平面鏡等光學系統(tǒng)的調試都比較復雜，實際應用比較困難。

特點這些方法通過微透鏡、微棱鏡列陣等，對光束進行整形、變高功率光纖耦合模塊高功率光纖耦合模塊6.2.2基于多只單管串聯(lián)的多光束耦合技術采用多光束耦合技術的另一條技術途徑就是利用多只單管芯器件串聯(lián)，通過光學系統(tǒng)將多路光束合束并耦合到單根纖中輸出。采用這種方法輸出光纖芯徑，亮度高，光束質量好。由于采用串聯(lián)工作的方式，因此工作電流比較?。ㄒ话銕讉€安培），供電和散熱比較容易，通過小型化設計的光纖耦合模塊適合應用于特殊環(huán)境下的野外工作，特別是在激光駕束制導，激光夜視等軍事應用領域具有廣闊的應用前景。6.2.2基于多只單管串聯(lián)的多光束耦合技術采用多光束耦合技多光束合束方式從理論上講，所有的非相干多光束合束，根據所遵循的基本物理原則主要有三種方式：空間合束偏振合束波長合束多光束合束方式從理論上講，所有的非相干多光束合束，根據所遵循半導體激光器多束合成示意圖半導體激光器多束合成示意圖三、大功率半導體激光器研究進展半導體激光器特點：體積小、壽命長、高效率。應用領域：工業(yè)、軍事、醫(yī)療、通訊…大功率半導體激光器技術取得的突破：超高峰值功率超高電光效率低發(fā)散角高亮度高特征溫度窄譜線寬度高可靠性波長穩(wěn)定基橫模工作等成熟的半導體材料外延技術波導結構的優(yōu)化腔面鈍化技術高效的冷卻和封裝技術三、大功率半導體激光器研究進展半導體激光器特點：體積小、壽命國內外現狀美國掌握核心技術，德國擁有應用市場。美國：Coherent，IMC，SDL，HPD，Spectrum-Physics德國：OSRAM，JOLD，Frauhorf法國：THALES日本：SANYO，SONY俄國：ATC波長：630nm-1550nm功率：1W-10KW國內核心技術比較落后，應用領域發(fā)展迅速北半、長春光機所、長春理工大學、電子13所、北工大等國內外現狀美國掌握核心技術，德國擁有應用市場。1、激光二極管芯片技術應變量子阱結構被廣泛采用，降低器件的閾值電流密度和擴展GaAs基材料系的波長覆蓋范圍，采用無鋁有源區(qū)提高端面光學災變損傷光功率密度寬波導大光腔結構。增加輸出功率，光束發(fā)散角，改善器件的光束質量。采用非對稱波導結構減小器件的光損耗提高電光轉換效率。高質量、低缺陷外延技術，增加腔長，提高輸出功率。腔面鈍化技術介質膜鈍化技術非吸收窗口技術真空解理技術1、激光二極管芯片技術應變量子阱結構被廣泛采用，降低器件的閾2、遠場發(fā)散角控制技術對于半導體激光器，以激光光束的光參數乘積（BPP）作為光束質量的衡量指標快軸發(fā)散角大光腔、低限制因子的方法獲得低發(fā)散角。實用化器件30°~50°慢軸發(fā)散角器件結構，驅動電流密度與熱效應共同影響慢軸發(fā)散角，長腔長單元器件的慢軸發(fā)散角最易控制。慢軸發(fā)散角（95%能量范圍）由原來的10°～12°降低到7°左右。2、遠場發(fā)散角控制技術對于半導體激光器，以激光光束的光參數乘3、高溫特性部分能量轉換成“廢熱”，使節(jié)溫升高閾值升高斜效率下降轉換效率降低量子阱增益下降，載流子泄漏和俄歇復合增加為了保持輸出功率不變，加大驅動電流產生更多的“廢熱”，節(jié)溫進一步上升3、高溫特性部分能量轉換成“廢熱”，使節(jié)溫升高閾值升高量子阱TheLasertelCompanyhaspresentedthedevelopmentofhigh-temperature8xx-nmdiodelaserbarsfordiodelaserlong-pulse(>10milliseconds)pumpingwithinahigh-temperature(130oC)environmentwithoutanycooling.(Fanetal.,2011)TheLasertelCompanyhasprese4、標準Bar條陣列發(fā)展現狀伴隨著高質量、低缺陷半導體材料外延生長技術及腔面鈍化技術的提高，現有Bar的腔長由原來的0.6～1.0mm增大到2.0～5.0mm，使得Bar輸出功率大幅度提高。2008年初，美國光譜物理公司。5mm腔長，填充因子為83%雙面微通道熱沉冷卻，當前實驗室最高Bar連續(xù)功率輸出水平。808nm，800W/bar940nm，1010W/bar980nm，950W/bar德國的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等也相續(xù)制備獲得千瓦級半導體激光陣列，在現有技術條件下制備獲得1.5kW/bar陣列器件已不成問題。4、標準Bar條陣列發(fā)展現狀伴隨著高質量、低缺陷半導體材料外制約因素低壓大電流恒流電源的高成本問題：在工程運用中，數伏電壓數百安電流的組合會產生眾多實際問題微通道熱沉散熱壽命短的問題新型高效散熱技術如相變冷卻、噴霧冷卻以及微熱管技術由于其性能特點、成本以及結構兼容性問題在短期內難以真正實用于Bar散熱領域。不再一味追求提高Bar的輸出功率，逐漸將發(fā)展重點轉移到大功率、高光束質量的半導體激光單元器件和短陣列器件研制。制約因素低壓大電流恒流電源的高成本問題：在工程運用中，數伏電5、單元器件發(fā)展現狀半導體激光單元器件具有獨立的電、熱工作環(huán)境，避免了發(fā)光單元之間的熱串擾，使其在壽命、光束質量方面具有明顯優(yōu)勢。驅動電流低：降低了對驅動電源的要求發(fā)熱量相對較低：傳導熱沉散熱，提高可靠性。IPG、JDSU公司等90~100μm條寬單管器件9XXnm波段，連續(xù)輸出20~25W/emitter；8XXnm波段，連續(xù)輸出12W/emitter。壽命大于10萬小時。5、單元器件發(fā)展現狀半導體激光單元器件具有獨立的電、熱工作環(huán)6、短陣列器件發(fā)展現狀短陣列器件（mini-bar）是在同一芯片襯底上集成數個單元器件而獲得，它實際是Bar與單元器件在結構上的折衷優(yōu)化。2009年，德國Osram與DILAS公司合作，利用5個100μm條寬、4mm腔長980nm發(fā)光單元的短陣列器件(填充因子10%)，CW功率大于80W，轉換效率高于60%，發(fā)光單元功率16W/emitter。壽命與單元器件相當。6、短陣列器件發(fā)展現狀短陣列器件（mini-bar）是在同一7、高亮度光纖耦合模塊半導體激光器件功率的增大與發(fā)散角的降低促進了大功率半導體激光器光束質量的迅速提高，直接體現在光纖耦合輸出半導體激光模塊尾纖直徑的減小以及出纖功率的不斷增大。根據其內部采用的半導體激光器件類型及其封裝形式不同可分為以下幾種具體形式半導體激光單元器件集成光纖耦合輸出半導體激光短陣列器件集成光纖耦合輸出微通道熱沉封裝結構半導體激光陣列堆光纖耦合輸出傳導熱沉封裝半導體激光陣列光纖耦合輸出7、高亮度光纖耦合模塊半導體激光器件功率的增大與發(fā)散角的降低7.1半導體激光單元器件集成光纖耦合輸出單管半導體激光器件直接耦合進入光纖體積小、成本低、壽命長、技術成熟。8~10W/module利用多個單元器件，合束，聚焦耦合進光纖2009年，美國Nlight，14個單元器件，NA=0.15，105μm芯徑光纖，輸出100W，耦合效率71%。7.1半導體激光單元器件集成光纖耦合輸出單管半導體激光器件7.2短陣列器件集成光纖耦合輸出利用多個短陣列器件，在快軸方向上緊密排列，經偏振合束，聚焦耦合進光纖。2007年，德國DILAS公司，NA=0.22，200μm芯徑光纖，輸出500W，耦合效率83%。多個短陣列器件集成光纖耦合輸出模塊結構7.2短陣列器件集成光纖耦合輸出利用多個短陣列器件，在快7.3微通道熱沉封裝半導體激光陣列堆光纖耦合微通道熱沉封裝結構的半導體激光陣列堆經快、慢軸準直，空間集成，快慢軸光束均勻化，然后聚焦耦合進入光纖NA=0.22，200μm芯徑光纖單模塊輸出400W亮度較高，光學元件少，結構簡單，但成本較高，使用維護要求高，壽命較短7.3微通道熱沉封裝半導體激光陣列堆光纖耦合微通道熱沉封裝7.5傳導熱沉封裝半導體激光陣列光纖耦合多個傳導熱沉封裝結構半導體激光陣列輸出光束經快、慢軸準直后空間集成后直接通過聚焦耦合系統(tǒng)進入光纖。德國DILAS公司，NA=0.22，200μm芯徑光纖，輸出200W；400μm芯徑光纖，輸出500W，耦合效率約為80%。光學元件少、結構簡單、壽命較長、免維護、成本低等。7.5傳導熱沉封裝半導體激光陣列光纖耦合多個傳導熱沉封裝結在直接工業(yè)應用的高功率高光束質量半導體激光器方面，通過波長合束技術與偏振合束技術，在輸出光束質量不變的情況下，根據合束波長的個數而倍增輸出功率。德國的Laserline公司技術較為領先，采用微通道封裝BarStack集成獲得從數百瓦至萬瓦級高功率、高光束質量激光加工系統(tǒng):2000W(BPP:20mm·mrad)，4000W(BPP:30mm·mrad)，10000W(BPP:100mm·mrad)。8、高功率高光束質量半導體激光器在直接工業(yè)應用的高功率高光束質量半導體激光器方面，通過波長合大功率半導體激光器及其應用課件四、半導體激光器的典型應用主要應用領域（1）通信與光儲存（2）材料加工（4）

泵浦光源

（5）

激光醫(yī)療及美容四、半導體激光器的典型應用主要應用領域光通信光纖通訊領域是半導體激光器應用的最大市場1.3um和1.55um的InGaAsP/InP半導體激光器是通訊用半導體激光器光源0.98um和1.48umLD是摻鉺光纖放大器的泵浦源，摻鉺光纖放大器可用作光發(fā)射機的功率放大、線路放大、無再生中繼、接收機的前置放大等。光通信光纖通訊領域是半導體激光器應用的最大市場光信息存儲紅光半導體激光器，目前最大的應用是光信息的存取。如用于CD、VCD、DVD讀寫光頭、條形碼掃描是目前最大的市場。藍、綠光波段的半導體激光器，高容量信息存儲全彩色顯示對潛通信。光信息存儲紅光半導體激光器，目前最大的應用是光信息的存取。如材料加工激光熔覆對耐磨性及耐腐蝕性要求較高的金屬零件進行表面熱處理或局部熔覆，重要應用。用于激光熔覆與表面熱處理的半導體激光器功率：1～6kW光束質量：100～400mm?mrad光斑大?。?×2mm2用半導體激光器光束進行熔覆與表面熱處理的優(yōu)勢電光效率高材料吸收率高使用維護費用低光斑形狀為矩形光強分布均勻等。廣泛應用于電力、石化、冶金、鋼鐵、機械等工業(yè)領域。材料加工激光熔覆不同熔覆方法的比較不同熔覆方法的比較材料加工半導體激光器在焊接領域的應用汽車工業(yè)精密點焊熱傳導焊接管道的軸向焊接。用于薄片金屬焊接的半導體激光器，焊接材料的厚度為0.1～2.5mm功率為300～3000W，光束質量為40～150mm?mrad，光斑大小為0.4～1.5mm，。大功率半導體激光器焊接的優(yōu)點熱量輸入低，零件的扭曲變形小可進行高速焊接，焊縫光滑美觀非常適合工業(yè)焊接的不同需要，它將逐漸取代傳統(tǒng)的焊接方法。

材料加工半導體激光器在焊接領域的應用泵浦光源

半導體激光器泵浦固體激光器(DPSSL)是大功率半導體激光器應用最多的領域。作為泵浦光源，半導體激光器有著其它光源不可取代的優(yōu)越性。泵浦光源半導體激光器泵浦固體激光器(DPSSL)是大功率半激光醫(yī)療及美容大功率半導體激光器在激光醫(yī)療中也具有很重要的應用，如激光手術刀、光能治療、激光針灸、脫毛和除發(fā)。激光醫(yī)療及美容大功率半導體激光器在激光醫(yī)療中也具有很重要的應不同波長大功率半導體激光器應用不同波長大功率半導體激光器應用軍事應用：（1）激光雷達（2）激光制導（3）激光測距（4）激光引信軍事應用：（1）激光雷達激光雷達激光雷達是傳統(tǒng)雷達技術與現代激光技術相結合的產物。具有極高的角分辨率、距離分辨率、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標的多種圖像、抗干擾能力強、比微波雷達的體積和重量小等激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術利用直接調制激光二極管技術的無掃描成像雷達具有極大地軍事應用前景。激光雷達激光雷達是傳統(tǒng)雷達技術與現代激光技術相結合的產物。激光制導駕束制導：大功率半導體激光器可作為發(fā)射光源直接用于激光駕束制導導彈。經空間編碼的激光光束直接指向目標，導彈的彈尾接收器接收激光束中的編碼信號修正導彈的飛行軌跡直至擊中目標。激光半主動制導激光主動制導激光制導駕束制導：大功率半導體激光器可作為發(fā)射光源直接用于激