半導體激光器的發(fā)展及應用

..題目：半導體激光器的開展與應用學院：理專業(yè)：光姓名：半導體激光器的開展與應用摘要：激光技術自1960年面世以來便得到了飛速開展，作為激光技術中最關鍵的器件激光器的種類層出不窮，這其中開展最為迅速，應用作為廣泛的便是半導體激光器。半導體激光器的獨特性能及優(yōu)點，使其獲得了廣泛應用。本文就簡要回憶半導體激光器的開展歷程，著重介紹半導體激光器在日常生活與軍用等各個領域中的應用。關鍵詞：激光技術、半導體激光器、軍事應用、醫(yī)學應用引言激光技術最早于1960年面世，是一種因刺激產(chǎn)生輻射而強化的光。激光被廣泛應用是因為它具有單色性好、方向性強、亮度高等特性。激光技術的原理是：當光或電流的能量撞擊某些晶體或原子等易受激發(fā)的物質(zhì)，使其原子的電子到達受激發(fā)的高能量狀態(tài)，當這些電子要回復到平靜的低能量狀態(tài)時，原子就會射出光子，以放出多余的能量；而接著，這些被放出的光子又會撞擊其它原子，激發(fā)更多的原子產(chǎn)生光子，引發(fā)一連串的"連鎖反響〞，并且都朝同一個方前進，形成強烈而且集中朝向某個方向的光。這種光就叫做激光。激光幾乎是一種單色光波，頻率圍極窄，又可在一個狹小的方向集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以對各種材料進展打孔。激光因為擁有這種特性，所以擁有廣泛的應用。激光技術的核心是激光器，世界上第一臺激光器是1960年由T.H.梅曼等人制成的第紅寶石激光器，激光器的種類很多，可按工作物質(zhì)、鼓勵方式、運轉方式、工作波長等不同方法分類。但各種激光器的根本工作原理均一樣，產(chǎn)生激光的必不可少的條件是粒子數(shù)反轉和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成局部有鼓勵〔或抽運〕源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質(zhì)兩個局部。半導體物理學的迅速開展及隨之而來的晶體管的創(chuàng)造，使科學家們早在50年代就設想創(chuàng)造半導體激光器。在1962年7月美國麻省理工學院林肯實驗室的兩名學者克耶斯〔Keyes〕和奎斯特〔Quist〕報告了砷化鎵材料的光發(fā)射現(xiàn)象，通用電氣研究實驗室工程師哈爾〔Hall〕與其他研究人員一道研制出世界上第一臺半導體激光器。半導體激光器是用半導體材料作為工作物質(zhì)的一類激光器，由于物質(zhì)構造上的差異，產(chǎn)生激光的具體過程比擬特殊。常用材料有砷化鎵〔GaAs〕、硫化鎘〔CdS〕、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。鼓勵方式有電注入、電子束鼓勵和光泵浦三種形式。自1962年世界上第一只半導體激光器是問世以來，經(jīng)過幾十年來的研究，半導體激光器得到了驚人的開展，它的波長從紅外、紅光到藍綠光，被蓋圍逐漸擴大，各項性能參數(shù)也有了很大的提高！半導體激光器具有體積小、效率高等優(yōu)點，因此可廣泛應用于激光通信、印刷制版、光信息處理等方面。一、半導體激光器的開展簡史半導體激光器以半導體材料作為主要工作物質(zhì),利用其在能帶間躍遷發(fā)光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光發(fā)生振蕩、反響，產(chǎn)生光的輻射放大，從而輸出激光。早期的半導體激光器以材料的p-n結特性為根底，因外觀與晶體二極管類似，也常被稱為二極管激光器或激光二極管。但那時的激光二極管受到很多實際限制，如只能在77K低溫下以微秒脈沖工作。20世紀60年代初期研制的只能以脈沖形式工作的一種半導體激光器仍然在可預見相關領域有很重要的應用。而后生產(chǎn)的異質(zhì)構造半導體激光器，是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層〔如GaAs,GaAlAs〕所組成，最先出現(xiàn)的是單異質(zhì)構造激光器(1969年)，它是利用異質(zhì)結提供的勢壘把注入電子限制在GaAsP一N結的P區(qū)之，以此來降低閥值的電流密度，其數(shù)值比同質(zhì)結激光器降低了一個數(shù)量級，但仍不能在室溫下連續(xù)工作。直至1970年，人們才實現(xiàn)了激光波長為9000Å，可在室溫連續(xù)工作的雙異質(zhì)結GaAs-GaAlAs〔砷化鎵一鎵鋁砷〕激光器，如砷化稼一稼鋁砷激光器。1978年出現(xiàn)的世界上第一只半導體量子阱激光器(QWL)，大幅度提高了半導體激光器的各種性能。后來，又由于MOCVD,MBE生長技術的成熟，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，它的闌值電流低、輸出功率高，頻率響應好，光譜線窄，溫度穩(wěn)定性好，電光轉換效率較高。20世紀70年代末開場，半導體激光器主要向兩個方向開展，一是以傳遞信息為目的的信息型激光器；二是以提高光功率為目的的功率型激光器。20世紀90年代，在泵浦固體激光器等應用的推動下，連續(xù)輸出功率100W以上，脈沖輸出功率5W以上的高功率半導體激光器取得了突破性進展，國外千瓦級的高功率半導體激光器已經(jīng)商品化，國樣品器件輸出也已到達600W。20世紀90年代出現(xiàn)的面發(fā)射激光器(SEL)是一種在室溫下可到達亞毫安的網(wǎng)電流8mW的輸出功率和11%的轉換效率的半導體激光器。20世紀90年代末，面發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器得到了迅速的開展，且已考慮了在超并行光電子學中的多種應用。980nm,850nm和780nm的器件在光學系統(tǒng)中已實現(xiàn)了實用化。為了滿足21世紀信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量化以及軍用裝備的小型、高精度化等需要，半導體激光器在高速寬帶LD、大功率ID，短波長LD，盆子線和量子點激光器、中紅外LD等方面取得了一系列引人矚目的成果。二、半導體激光器的應用1.在激光光譜學中的應用激光光譜是以激光為光源的光譜技術，主要用于分子光譜、等離子物理、高階諧波產(chǎn)生的科學應用及大氣污染的監(jiān)測和癌癥的診斷等。而選用半導體激光器作為激光光譜學的光源中有較多優(yōu)勢，它體積小，輸入能量低，壽命長，可協(xié)調(diào)性強且價格低廉。例如圖1即為"SPECDILASV—763—OXY"VCSEL所探測的氧氣的吸收光譜(半導體激光器的工作溫度為Top=10℃,Iset=4.6mA,加32Hz,10.6mV的鋸齒波,256次平均)?？梢钥闯?通過改變工作電流很容易地得到氧氣的兩個吸收峰,無模式跳躍。圖1用760nmVCSEL激光器測得的氧氣吸收光譜2.半導體激光器在光固化成型技術中的應用光固化成型法〔StereolithographyAppearance，簡稱SLA〕是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，由于它成型過程自動化程度高、制作原型外表質(zhì)量好、尺寸精度較高且能夠?qū)崿F(xiàn)比擬精細的尺寸成型，在單件小批量精細鑄造、概念設計的交流、產(chǎn)品模型、快速工模具及直接面向產(chǎn)品的模具等諸多方面廣泛應用于航空、汽車、電器、消費品以及醫(yī)療等行業(yè)得到了廣泛應用。其成型原理如圖2所示,用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料外表,使之由點到線,由線到面順序凝固,完成一個層面的繪圖作業(yè),然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度,再固化另一個層面.這樣層層疊加直至構成一個三維實體。圖2光固化成型原理示意圖而紫外半導體激光器技術的開展，為SLA提供了最好的光源，在電光效率、本錢、體積、壽命和可靠性等指標上堪稱最優(yōu)，在光譜、譜線寬度、功率等性能方面也完全符合其工藝要求，因此現(xiàn)在進展這種新型光源的研究已成為現(xiàn)實。3.半導體激光器在軍事領域的應用伴隨激光技術的日趨成熟，半導體激光器的應用圍覆蓋了整個光電子學領域，它在軍事領域也得到了廣泛應用，成為我國國防事業(yè)不可或缺的中堅力量。如半導體激光雷達，主要是波長820~850nm的LD及列陣。新型半導體激光雷達與被動探測〔紅外系統(tǒng)〕相結合，具有多種成像功能，包括強度成像、距離成像和速度成像等，具有先進的實時圖像處理功能，包括各種成像的綜合、圖像跟蹤和目標的自動識別等。此外，半導體激光器也在激光測距、激光模擬武器、激光戒備、激光制導跟蹤、引燃引爆等方面獲得了廣泛的應用。4.半導體激光器在醫(yī)療上的應用半導體激光器體積小、本錢低、壽命長、波長可選擇、輸出功率穩(wěn)定等優(yōu)點，特別適用于醫(yī)療設備，其臨床應用幾乎覆蓋了所有其他類型的激光器的應用圍。如低功率810nm近紅外半導體激光器，由于該波長的激光穿透能力強，屈光間質(zhì)對它吸收最少，光斑直徑可調(diào)圍大,是眼科中最常用的熱源，可用于治療青光眼、硅油注入術后難治性高眼壓以及視網(wǎng)膜的光凝和固定等；810nm半導體激光起能夠很好被毛囊黑色素吸收，產(chǎn)生熱效應，破壞毛囊，完成脫毛的效果，圖3為一半導體激光脫毛儀及其脫毛效果示意圖；大功率半導體激光器也廣泛應用于腫瘤的激光切割、凝固手術。這些都為人類的安康進一步提供了保障。圖3導體激光脫毛儀及脫毛效果示意圖5.半導體激光器在通信領域的應用半導體激光器在信息的獲取，傳輸，存儲和處理以及顯示中也得到廣泛應用。21世紀，隨著光纖通信的開展，半導體激光器光作為光纖通信系統(tǒng)中的光源，是關鍵元件,是整個系統(tǒng)的核心局部,短距離的光纖通信采用單模光纖和130~150nm波長的半導體激光器,空間通信用列陣半導體激光器。全球光纖通信市場前景廣闊,因此,半導體激光器的市場前景也是非常好的。6.半導體激光器在激光打印及印刷市場中的應用激光打印機脫胎于80年代末的激光照排技術，流行于90年代中期。它是將激光掃描技術和電子照相技術相結合的打印輸出設備。較其他打印設備，激光打印機有打印速度快、成像質(zhì)量高等優(yōu)點。10-100nm的高功率半導體激光器主要用于高速激光打印機。一般為網(wǎng)絡化辦公打印機,包括新出現(xiàn)的彩色激光打印機(打印速度為12-35p/min)。用激光把資料直接寫在印刷板上正成為印刷技術工業(yè)的一種開展趨勢,不僅節(jié)省很多中間環(huán)節(jié)、降低本錢,而且加快了速度，因此此種應用預計會穩(wěn)定增長，如采用1W二極管激光器64元陣列、用光纖藕合配以透鏡系統(tǒng)。目前多數(shù)激光、計算機、印刷系統(tǒng)采用鹵素銀或光敏有機物的光敏材料。杜邦公司、柯達公司等均在致力于開發(fā)此類熱敏材料,采用半導體激光器日益增多,此項應用市場也呈蓬勃開展。圖4一種激光打印機結論本文簡要介紹了半導體激光器的開展，詳細描述了半導體激光器在激光光譜學、光固化快速成型、軍事醫(yī)療、數(shù)字通信、激光打印及印刷市場等方面的應用，可以看出半導體激光器日后一定會得到更加廣泛的應用。參考文獻[1]激光器件半導體激光器[J]。中國光學與應用光學文摘,2005,(06)[2]再吉。GaInNAs半導體激光器的開發(fā)[J]。半導體信息,2007,(01)[3