《半導(dǎo)體激光器技術(shù)發(fā)展國內(nèi)外文獻綜述》2600字

半導(dǎo)體激光器技術(shù)發(fā)展國內(nèi)外文獻綜述1半導(dǎo)體激光器的發(fā)展激光器的發(fā)展起始于1916年愛因斯坦提出的受激輻射，這一基本概念的提出奠定了后面激光器發(fā)展的理論基礎(chǔ)。四十余年后，即1956年左右，研究人員們才開始對半導(dǎo)體激光器展開研究，并提出了許多合理的想法。1958-1961年，當(dāng)時的研究人員提出了半導(dǎo)體實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必要條件，并提出了使用半導(dǎo)體材料研制激光器的想法。1962年，同質(zhì)結(jié)GaAs半導(dǎo)體激光器問世，但是GaAs這一物質(zhì)無法在室溫下連續(xù)的受激發(fā)射[2]，導(dǎo)致這一發(fā)明無法在工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，但是這是一個開創(chuàng)性的研究進展，為后續(xù)異質(zhì)結(jié)半半導(dǎo)體激光器的研究奠定了基礎(chǔ)。1963年，研究人員們針對同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器存在的無法在室溫下連續(xù)受激發(fā)射這一問題，提出異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的概念。1967年首個單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器問世，但是仍未能解決同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器存在的問題，但這一發(fā)展激勵著研究人員向雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器邁進。自單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器問世三年之后，在前人研究的基礎(chǔ)下雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器成功被研發(fā)出來，并且很好的解決了同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器無法在室溫下連續(xù)受激發(fā)射這一問題。同年，超晶格量子阱這一概念被首次提出，再次為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展指明了新的方向。1975年，首個量子阱激光器研制成功，但是存在諸多缺點，例如無法在室溫下穩(wěn)定振蕩等。1979年，美籍華裔學(xué)者謝肇鑫利用液相外延的方法實現(xiàn)了室溫下的超量子阱激光器的連續(xù)受激發(fā)射，進一步推動了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。1982年，Bell實驗室成功研制出可連續(xù)工作的半導(dǎo)體量子阱激光器，這一研究成果標(biāo)志著量子阱激光器的研究進入了一個嶄新的歷程[2]。20世紀末，在量子阱激光器的研究基礎(chǔ)上，高功率的單量子阱半導(dǎo)體激光器成功被研制出來，使半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用領(lǐng)域進一步拓寬。同時20世紀末的研究進展也進一步為21世紀半導(dǎo)體激光器的研究指明了發(fā)展方向。中國的激光技術(shù)研究起步較國外的稍晚，但發(fā)展速度快。例如自新中國成立以來短短二十年間，中國首臺單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器便由上海光機所自主研制成功。進入二十一世紀以來，國內(nèi)對半導(dǎo)體激光器的研究空前發(fā)展，并取得一系列優(yōu)秀的成果，相應(yīng)的半導(dǎo)體激光器的行業(yè)也日漸增多。2半導(dǎo)體激光器的基本類型及其簡單應(yīng)用目前國內(nèi)外半導(dǎo)體激光器的發(fā)展日益進步，依據(jù)封裝形式的不同可以將半導(dǎo)體激光器分為單管、線陣和面陣三種類型。單管半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)特點是只存在一個發(fā)光單元，因而輸出功率一般比較低[3]，但由于單管之間不存在緊密排列的結(jié)構(gòu)，熱量擾動會比較低，使得單管半導(dǎo)體激光器具有優(yōu)良的散熱性能。線陣（Bar條）半導(dǎo)體激光器是由多個單管發(fā)光單元構(gòu)成的的一維陣列，與單管的相比較，輸出功率大幅度提升，但是由于多個單元線陣之間存在嚴重的熱串?dāng)_效應(yīng)[2]，使得激光線陣的散熱性能較差工作穩(wěn)定性及使用壽命會有所降低。面陣半導(dǎo)體激光器是由多個發(fā)光單元組成的二維陣列，是由若干Bar條在快軸方向上堆積而成[3]，發(fā)光單元較線陣更多，輸出功率更高，相應(yīng)的在密集排列下熱效應(yīng)也會更高。但是其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，更為容易進行封裝。如今的半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域[4]，例如在醫(yī)療領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器在腫瘤科、眼科、血管科等都有廣泛的應(yīng)用，在眼科半導(dǎo)體激光器可用于治療近視眼以及青光眼等[5]，通過使用不同波段的激光對眼睛進行刺激可以達到治療不同眼科疾病的作用。在軍事領(lǐng)域半導(dǎo)體激光器的特點適用于激光制導(dǎo)等，利用激光獲得制導(dǎo)信息或者調(diào)控制導(dǎo)指令，進而達到操縱導(dǎo)彈的目的[5]。在工業(yè)領(lǐng)域上由于半導(dǎo)體激光器出射激光具有高亮度性和高能量性等特點[6]，在激光清洗、激光切割以及激光焊接等工業(yè)加工方面有著廣泛的應(yīng)用。激光清洗是利用半導(dǎo)體激光光束照射固體表面上的雜質(zhì)進而去除表面雜質(zhì)的過程，激光能量較低時，激光能量加熱雜質(zhì)使雜質(zhì)蒸發(fā)或升華進行除去；激光能量較高時，雜質(zhì)通常會轉(zhuǎn)換為等離子體除去。激光切割是利用高功率密度的激光光束照射被切割材料表面，使材料被加熱至汽化溫度而蒸發(fā)，由于激光的光斑較小，材料汽化后的凹槽寬度也較小，可以實現(xiàn)高質(zhì)量的切割；激光焊接是采用激光光束加熱待加工表面，使工件表面熔化，形成特定的熔池，冷卻后需要焊接的工件表面凝固在一起，可以通過調(diào)控激光脈沖的的寬度、峰值功率密度等參數(shù)調(diào)節(jié)加熱的范圍。3國內(nèi)外對半導(dǎo)體激光器與光纖耦合技術(shù)的研究自半導(dǎo)體激光器問世以來，短時間內(nèi)得到快速的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)需求。然而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，在醫(yī)療、軍事以及工業(yè)領(lǐng)域上對半導(dǎo)體激光器的功率提出了更高的要求，單個半導(dǎo)體激光器已經(jīng)不能滿足當(dāng)今社會發(fā)展的需求。從而推動了輸出功率較高的陣列半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，為提高輸出光束功率密度，進一步推動了陣列半導(dǎo)體激光器與光纖耦合技術(shù)的研究。光纖具有十分優(yōu)良的特性，在通信、傳感以及能量傳輸領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用，隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光與光纖耦合器件逐步應(yīng)用于各個領(lǐng)域[7]。例如在工業(yè)領(lǐng)域，采用光纖耦合技術(shù)可以有效的提高激光輸出的功率密度、改善光束特性，從而提高工業(yè)生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量；在醫(yī)療領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的激光手術(shù)相比較，經(jīng)過光纖耦合可以自由的控制輸出激光的功率密度大小，提高使用激光進行治療的靈活性和安全性[7]；在通信領(lǐng)域可以有效的提高激光光束的傳輸距離，降低傳輸之間的耦合損耗，提高信息傳輸容量。除此之外，激光與光纖的耦合技術(shù)在軍事領(lǐng)域也有較為廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器與光纖耦合技術(shù)的發(fā)展可以追溯到上世紀的80年代，1986年H.Ueno和M.Toyama首次使用折射透鏡將激光耦合進入單模光纖中，所得的耦合效率較低，同年KenjiKawano使用球面透鏡和自聚焦透鏡進行組合作為激光與光纖的耦合系統(tǒng)，得到了良好的耦合效率[7]。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，目前，國內(nèi)外半導(dǎo)體激光器陣列光纖耦合模塊技術(shù)已經(jīng)十分成熟。例如德國的DirectPhotonicsIndustrie采用階梯反射鏡合束技術(shù)將多個單管半導(dǎo)體激光器合束后再耦合進入光纖中，準直合束效率高達95%，耦合效率大于80%；美國的nLIGHT公司采用垂直堆棧合束技術(shù)將每只單管半導(dǎo)體激光器快慢軸方向準直后耦合進入光纖中，大大提高了耦合效率[8]。國內(nèi)半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合研究起步稍晚，但是后勁強，短時間內(nèi)便追上了國外的研究。目前在國內(nèi)的主要研究單位有中科院長春光機所、大族天成半導(dǎo)體技術(shù)有限公司、北京凱普林公司、西安炬光科技股份有限公司、長春理工大