半导体激光器.docx

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半导体激光器

半导体激光器

　　半导体激光器的原理及应用半导体激光器的原理及应用专业：

电子科学与技术班级：

一班姓名：

黄兵兵学号：

20112230110半导体激光器的原理及应用　　还介绍了半导体激光器在激光测距、激光引信、激光制导跟踪、激光瞄准和告警、激光通信、光纤陀螺以及国民经济等各个领域中的应用。

　　大功率半导体激光器在军事领域和工业领域有着广泛的应用。

　　关键词：

半导体激光器原理与应用未来前景半导体激光器是以半导体材料（主要是化合物半导体）作为工作物质,以电流注入作为激励方式的一种小型化激光器。

　　世界上的第一台半导体激光器是同质结的,即和普通的p—n结极管一样。

　　这种同质结激光器有源区的厚度为电子扩散长度量级（微米量级）,阈值电流密度需达到105A/cm2,因此只能在液氮温度（77K）和脉冲状态下工作。

　　半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs,GaAlAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器（1969年）。

　　单异质结注人型激光器（SHLD）是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP一N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。

　　1970年，双异质结激光器（DHL）利用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，在P型和n型材料之间生长了仅有0.2Eam厚的，不掺杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注人的载流子被限制在该区域内（有源区），因而注人较少的电流就可以实现载流子数的反转.在半导体激光器件中，实现了激光波长为9000Å。

　　室温连续工作的双异质结砷化稼一稼铝砷激光器。

　　1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器（QWL），它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。

　　后来，又由于MOCVD,MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器。

　　20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器。

　　另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。

　　20世纪90年代，连续输出功率在100以上，脉冲输出功率在5W以上的高功率半导体激光器取得了突破性进展。

　　20世纪90年代出现的面发射激光器（SEL）是一种在室温下可达到亚毫安的网电流8mW的输出功率和11%的转换效率的半导体激光器。

　　20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展，且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用。

　　980mn,850nm和780nm的器件在光学系统中已经实用化。

　　半导体激光器的原理及特性半导体材料多是晶体结构。

　　当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。

　　价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。

　　与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。

　　当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。

　　同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。

　　因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。

　　掺杂半导体与p-n结。

　　没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。

　　如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。

　　在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。

　　而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。

　　因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。

　　半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为2～5×1018cm-1；p型为1～3×1019cm-1。

　　在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。

　　其交界面处将形成一空间电荷区。

　　n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。

　　这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。

　　在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。

　　此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。

　　若在形成了p-n结的导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。

　　显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。

　　这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。

　　要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大。

　　这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。

　　半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。

　　若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95％以上的反射率。

　　一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性中，当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。

　　影响阈值的几个因素有：

①晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。

　　②谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。

　　③异质结阈值电流比同质结低得多。

　　④温度愈高，阈值越高。

　　由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°左右。

　　半导体激光器的特点由于半导体激光器的体积小、重量轻、结构简单、光波长可调能量低、寿命较长、易于调制以及价格低廉等优点,使得它已在激光技术中占有显赫的地位,它的成功应用已遍及电子学以及激光光谱学等许多重要领域。

　　其中VCSEL型半导体激光器,由于单纵模、波长可连续调谐、无模式跳跃、波长分布范围广等特点,很适合各种气体的激光光谱学研究。

　　垂直腔面发射激光器VCSEL有如下特点：

（1）易于实现二维平面和光电集成:

单个VC2SEL激光器仅几微米大小,有可能在1cm2的芯片上集成百万个这种微型激光器。

（2）圆形光束易于实现与光纤的有效耦合:

VCSEL有径向对称的高斯近场分布。

　　因而它们更容易耦合到光纤或光学器件上芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验,制作工艺简单,制作成本低。

　　（3）在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作。

　　（4）光束发散角较小,约为5°。

　　（5）有源区尺寸极小,因而可实现低阈值电流。

　　目前,高功率半导体激光器的主要市场是泵浦固体激光器、材料加工、印刷业和医学应用等领域。

　　在需求牵引下,高功率半导体激光正在向高平均功率、高功率密度、高光束质量、高效率、低成本和长寿命方向发展。

　　半导体激光器的研究和开发始终与军用和民用市场紧密相联,通过采用先进的工艺和技术,新型高功率半导体激光器将层出不穷。

　　半导体激光器的应用半导体激光器在激光光谱学中的应用激光光谱具有广泛的应用范围,如从分子光谱、等离子物理、高阶谐波产生的科学应用到大气污染的监测及癌症的诊断等。

　　半导体激光器在激光光谱学中有较多优势，用于激光光谱学的半导体激光器有一个重要的特点就是可协调性。

　　其波长可通过改变温度或改变驱动电流来调谐。

　　另外高灵敏度，高选择性可以减少谱线重叠,增加选择性。

　　。

　　半导体激光器还可用调制技术够减少激光的过量噪声。

　　半导体激光器在光固化快速成型中的应用光固化成型技术（SLA）是由CharlesHull在1984年发明并申请的专利。

　　光固化快速成型制造技术不同于传统的材料去除制造方法，成型原理如图所示。

　　液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下快速固化。

　　成型开始时，可升降工作台使其处于液面下一个层厚的地方。

　　聚焦后的紫外激光束在计算机的控制下按截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态树脂固化，形成该层面的固化层。

　　然后工作台下降一层高度，其上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层的扫描固化，与此同时新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直到整个产品完成。

　　紫外半导体激光器技术的发展，为SLARPT提供了最好的光源，在电光效率、成本、体积、寿命和可靠性等指标上堪称最优，在光谱、谱线宽度、功率等性能方面也完全符合SLA的工艺要求，因此现在进行这种新型能量源的研究已成为现实。

　　这种新颖能量源具有以下优点:

（1）LD比He-Cd气体激光器寿命长、工作可靠，且体积小易于实现装置小型紧凑,使SLARP设备成为一种桌面式三维打印系统的设想成为现实。

（2）LD在低电压下工作，有利于设备的安全操作；其电光转换效率比He-Cd气体激光器高很多，有利于节能。

　　（3）随着半导体激光器技术的发展，紫外半导体激光器已有产品问世，许多公司的CUBE375-8E和Radius375-8均可满足要求。

　　形成新的光源模块后直接与现有SLA系统集成，可较大幅度地降低系统成本，项目风险也小。

　　大功率半导体激光器的军事应用随着激光技术的日趋成熟和应用领域的不断拓展。

　　由于半导体激光器具有结构简单、体积小、寿命较长易于调制及价格低廉等优点使得半导体激光器在在军事中得到广泛应用，如激光制导跟踪便是从制导站的激光发射系统按一定规律向空间发射经编码调制的激光束,且光束中心线对准目标;在波束中飞行的导弹,当其位置偏离波束中心时,装在导弹尾部的激光接收器探到激光信号,经信息处理后,弹上解算装置计算出弹体偏离中心线的大小和方向,形成控制信号;再通过自动驾驶仪操纵导弹相应的机构,使其沿着波束中心飞行,直至摧毁目标为止。

　　半导体激光引信是一种光学引信,属主动式近炸引信的技术范畴。

　　激光引信通过激光对目标进行探测,对激光回波信息进行处理和计算,判断出目标,计算出炸点,在最佳位置适时引爆。

　　炸弹一旦未捕获或丢失目标以及引信失灵后,自炸机构可以引爆弹丸自毁。

　　半导体激光引信是激光探测技术在武器系统中最成功的应用。

　　测距仪采用半导体激光器作光源具有隐蔽性,略加改进,还可测量车辆之间的距离并进行数字显示,在低于所需安全系数时发出警报。

　　激光模拟主要是以半导体激光为基础发展起来的新型军训和演习技术。

　　通过调节激光射束、周期和范围以达到模拟任何武器特征的目的。

　　武器模拟主要使用904nm半导体激光器,用对眼睛安全的激光器作为战术训练系统的基础,最初称为激光交战统（LES）。

　　目前,全世界有美、英、瑞（典）三国出售MILESII/SAWE系统;北约国家、以色列、阿根廷、俄罗斯、中国都在开发这种系统。

　　另外军用光纤陀螺是军用光纤领域中用途最广,是目标监测和测量方面不可缺少的技术手段。

　　由光纤绕成环形光路,采用Sagnac干涉原理,检测出随转动产生的两路激光束的相位差,由此得出转动的角速度。

　　其主要优点是:

无运动部件,仪器牢固,耐冲击,抗加速运动;机构简单,价格低廉;启动时间极短（原理上可瞬时启动）;灵敏度高可达10-7rad/s;动态范围极宽（约为2000度/秒）;寿命长等。

　　在军用民用光纤通信、光纤制导导弹、制导鱼类等方面广泛应用。

　　半导体激光器在数字通信中的应用我们称现代社会为信息社会，半导体激光器在信息的获取，传输，存储和处理以及显示中已得到广泛应用。

　　在数字通信市场,波长为950一1550nm的半导体激光器应用广阔。

　　由于受发达国家的音频和数字通信发展以及东南亚、拉丁美洲等发展中国家新兴工业区加速发展通信基础设施的影响,光纤通信获得了发展。

　　该领域应用的半导体激光器销售额一直高居首位。

　　生产厂家几乎集中于日本、北美,在欧洲也有生产。

　　在今后几年中,日本、北美和德国等将发展直接至用户的光纤网络,这会使半导体激光器的需求量更大,对此类激光器要求价格十分低廉、传输速率中等、可在-40一+80℃环境中工作。

　　鉴于通信事业发展方兴未艾,这类应用的激光器市场将继续有较大的增长。

　　由于光纤通信具有损耗低、容量大、速率高、抗干扰、保密性强、重量轻、体积小等优点,加之信息爆炸、多媒体通信及全球网络的发展,光纤迅速成为信息社会的宠儿。

　　光半导体激光器作为光纤通信系统中的光源是关键元件,是整个系统的核心部分,短距离的光纤通信用单模光纤和130一150nm波长的半导体激光器,空间通信用列阵半导体激光器。

　　所以,全球光纤通信市场前景广阔,多信道密集波分复用技术（DWDM）对经济地扩展网络容量有无可取代的作用,DWDM可使同样系统的容量增加几十倍以至几百倍。

　　因此,DWDM的市场前景是非常好的。

　　据悉,1996年全球网络扩展元器件中的DWDM链路元器件的销售额为9亿美元,2001年将增加到37.16亿美元,平均年增长率为32.8%。

　　全球网络扩展设备中的DWDM链路系统的销售额将从1996年的6.26亿美元增加到2001年的46.41亿美元,平均年增长率高达49.3%。

　　半导体激光器在未来的新趋势

（1）高速宽带LD主要是113μm和1155μm波长LD,用于高速数字光纤通信和微波模拟光信息传输、分配与处理。

　　潜在市场是未来的信息高速公路和军事装备。

　　高速宽带LD从80年代中期长波长光源商品化后便大量开发,主要通过改进管芯制作和封装技术

（2）半导体激光器大功率化趋势仍将集中在800nm波段,其次是2μm左右。

　　在800nm波段,光泵浦源又是重点。

　　其发展趋势:

一是侧面发射1cm阵列条堆积组件。

　　二是开发表面激射的二维阵列。

　　（3）对于光信息存储而言,波长越短越有利于聚焦成小光斑,从而增加信息存储密度和容量;许多信息系统终端的感光体的感光度也与光源的波长成反比;在显示方面,绿色是基色之一,所以蓝2绿光已成为全色显示的关键。

　　在600nm以上LD商品化之后,蓝2绿光LD就成了短波长化的主要目标。

　　（4）大功率中红外（3～5μm）LD是目前急需的半导体光源,它在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗口自由空间通信、大气监视和化学光谱学等方面有广泛应用前景。

　　近几年来,中红外LD在工作温度和输出功率提高方面取得了明显进展,主要采用一般量子阱和新开发的量子阱结构。

　　半导体激光器在红光和115μm波段范围以内的技术已十分成熟,大量的商品器件在军、民两用的广大市场上受到欢迎。

　　随着新型波长（短、长）LD和高性能LD的开发,下世纪半导体LD将涉足更广泛的两用领域,保持持续高速的市场增长。

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　　激光与红外,1995,（03）半导体激光器基础知识半导体激光器的近场分布是指LD发光面上的辐射强度分布，即反映P-N结上光强的分布；而远场分布则是指远离激光器无穷远处的辐射强度分布（光强与角度的分布）。

　　远场分布是近场分布的富氏（Fourier）变换。

　　半导体激光器的模式分为空间模和纵模（轴模）。

　　前者描述围绕输出光束轴线某处光强分布，或者是空间几何位置上的光强（或者光功率）的分布，也称为远场分布；后者则表示是一种频谱，它反映所发射的激光其功率在不同频率（或者波长）分量上的分布。

　　两者都可能是单模或者出现多个模式（多模）。

　　边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于结平面方向（称横向）和平行于结平面方向（称侧向）有不同的波导结构和光场限制。

　　横向都是由双异质结构成的折射率波导结构来限制光场；而在侧向，则可由折射率导引结构或增益导引结构，大功率半导体激光器大多采用增益波导结构。

　　因此半导体激光器的空间模式又有横模和侧模之分。

　　如图5-1表示了这两种空间模式。

　　图1半导体激光器的横模与侧模由于有源层厚度都很小（约为0.15µm），根据平板波导原理，在横向LD都能保证单横模输出；而在侧向，由于其宽度相对较大，因而可能出现多侧模。

　　如果在这两个方向都能以单模（或称基模）工作，则输出为理想的TE00模，此时光强峰值在光束中心且呈单瓣。

　　这种光束的发散角最小，亮度最高，能实现与单模光纤的高效率耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到很小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。

　　相反，若LD工作在多侧模下，则其发光面上的光场（即近场）在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝,而其远场分布则相当复杂。

　　对于发光尺寸为1×50µm的半导体激光器，沿1µm方向称为快轴方向，沿50µm方向称为慢轴方向。

　　在快轴方向光束横截面内光强基本上按正弦（余弦）函数形式分布。

　　半导体激光器的发散角是光束的基本参数，其定义为远场平面上光强为峰值一半处的两点相对于发光点的夹角半导体激光器应用--工业固体激光器的应用——工业激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，配以相应的光电元件来实现的。

　　它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。

　　当测定对象物受到激光照射时，激光的某些特性会发生变化，通过测定其响应如强度、速度或种类等，就可以知道测定物的形状、物理、化学特征，以及他们的变化量。

　　响应种类有：

光、声、热，离子，中性粒子等生成物的释放，以及反射光、透射光、散射光等的振幅、相位、频率、偏振光方向以及传播方向等的变化。

　　◆激光测距：

激光测距的基本原理是：

将光速为C的激光射向被测目标，测量它返回的时间，由此求得激光器与被测目标间的距离d。

　　即：

d＝ct/2式中t—激光发出与接收到返回信号之间的时间间隔。

　　可见这种激光测距的精度取决于测时精度。

　　由于它利用的是脉冲激光束，为了提高精度，要求激光脉冲宽度窄，光接收器响应速度快。

　　所以，远距离测量常用输出功率较大的固体激光器与二氧化碳激光器作为激光源；近距离测量则用砷化镓半导体激光器作为激光源。

　　◆激光测长：

从光学原理可知，单色光的最大可测长度L与光源波长λ和谱线宽度Δλ的关系用普通单色光源测量，最大可测长度78cm。

　　若被测对象超过78cm，就须分段测量，这将降低测量精度。

　　若用氦氖激光器作光源，则最大可测长度可达几十公里。

　　通常测长范围不超过10m，其测量精度可保证在0.1μm以内。

　　◆激光干涉测量：

激光干涉测量的原理是利用激光的特性－相干性，对相位变化的信息进行处理。

　　由于光是一种高频电磁波，直接观测其相位的变化比较困难，因此使用干涉技术将相位差变换为光强的变化，观测起来就容易的多。

　　通常利用基准反射面的参照光和观测物体反射的观测光产生的干涉，或者是参照光和通过观测物体后相位发生变化的光之间的干涉，就可以非接触地测量被测物体的距离以及物体的大小，形状等，其测量精度达到光的波长量级。

　　因为光的波长非常短，所以测量精度相当高。

　　◆激光雷达：

激光雷达是用于向空中发射激光束，并对其散射信号光进行分析与处理，以获知空气中的悬浮分子的种类和数量以及距离，利用短脉冲激光，可以按时间序列观测每个脉冲所包含的信息，即可获得对象物质的三维空间分布及其移动速度、方向等方面的信息。

　　如果使用皮秒级的脉冲激光，其空间分辨率可以达到10cm以下。

　　激光照射在物体上后，会发生散射，按照光子能量是否发生变化，散射分为弹性散射和非弹性散射两种类型。

　　弹性散射又有瑞利散射和米氏散射之分。

　　相对于激光波长而言，散射体的尺寸非常小时，称为瑞利散射；与激光波长相当的散射，称之为米氏散射。

　　瑞利散射强度与照射激光波长的四次方成反比，所以，通过改变波长的测量方式就可以和米氏散射区别开。

　　相应地，非弹性散射也有拉曼散射和布里渊散射两种。

　　拉曼散射是指光遇到原子或分子发生散射时，由于散射体的固有振动以及回转能和能量的交换，致使散射光的频率发生变化的现象。

　　拉曼散射所表现出的特征，因组成物质的分子结构的不同而不同，因此，将接收的散射光谱进行分光，通过光谱分析法可以很容易鉴定分子种类。

　　所以，通过测量散射光，就可以测定空气中是否有乱气流（米氏散射），以及CO、NO等各种大气污染物的种类及数量（拉曼散射）。

　　由此可见，激光雷达技术在解决环境问题方面占据着举足轻重的位臵。

　　激光加工是激光系统最常用的应用。

　　根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。

　　激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。

　　包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。

　　由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，因此就给激光加工带来一些其它加工方法所不具备的特性。

　　由于它是无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形；激光加工过程中无激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

　　◆激光切割：

激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。

　　激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。

　　与传统的板材加工方