大功率半导体激光器相关技术的研究Word下载.docx

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Highpowersemiconductorlasers;

modularization;

highpower；

catastrophicopticalmirrordamage（COMD）;

reliability;

第一章引言

随着半导体激光技术的日趋成熟和应用领域的不断扩展，大功率半导体激光器的应用范围已经覆盖了光电子学的诸多领域，成为当今光电子实用器件的核心技术。

由于大功率半导体激光器具有体积小、质量轻、寿命长等优点，广泛应用于民用生产和军事等领域。

近年来，国外大功率半导体激光器的研究进展非常迅速，单条最大连续输出功率已经大于600W，最高电光转换效率高达72％，单条40-120W已经商品化。

相对而言，国内在大功率半导体激光器研究和应用方面虽然起步较晚，但也取得了很大的进展。

本文主要从大功率半导体激光器电源设计、腔面处理方法以及器件的应用几个方面介绍目前大功率半导体激光器的一些相关研究。

第二章大功率半导体激光器相关技术研究

1.1大功率半导体激光器电源的研究

1.1.1设计的必要性

用半导体激光二极管泵浦的固体激光器是新世纪的主要发展方向,它的体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长,是目前发展最为迅速的极理想的泵浦光源。

但是由于半导体激光器驱动电源设计得不合理,导致激光器在使用中被电流击穿的事件经常发生，造成了工作延误和经济损失。

在半导体激光器的应用范围越来越广泛的同时导体激光器驱动电源的需求量也越来越大，对其性能、工艺、可靠性的要求也越来越高。

驱动电源的性能不良或保护措施不当,很容易损坏激光器。

以前在半导体激光器电源中，保护措施比较复杂，从电源电路的设计考虑不易推广。

国外的一些指标较高的电源采用了比较完善的保护技术，但其性能价格比较高。

由于大功率半导体激光器的价格目前普遍较高，因而如何保护半导体激光器、延长半导体激光器的寿命是研制大功率半导体激光器驱动电源的重要问题。

1.1.2半导体激光器电源的研究

1.1.2.1供电模块

本模块的基本工作就是将给其他各个模块提供相应的直流或交流输入,基本电路图如图1.1所示。

图1.1基本供电模块

输入是220VAC,输出是多组低压交流电20VDC,整个变压器的功率小于20W,这样设计是因为虽然半导体激光器的功率只有1W左右,但其他各个模块,特别是信号发生模块和监控反馈模块有一些颇为消耗功率的元件。

1.1.2.2整流稳流部分

通过4只二极管组成的整流桥,将低压交流电转换成低压的脉动直流,再通过电容滤波、78系列的三端稳压器后就可以得到比较理想的低压正向直流电。

同理,我们还可以通过79系列得到低压的负向直流电。

如果认为由电网的高频噪声也会通过电路耦合过来低压直流这边,我们可以在低压直流电源与地线之间并上一个0.1μF的电容,用它来吸收掉高频噪声。

1.1.2.3信号发生模块

这个模块的功能就是产生输出给下一级的可变频率可调占空比的方波。

在这里我采用的是由555组成的方波发生器。

1.1.2.4功率放大模块

本模块主要的功能是将信号发生模块输入的信号不失真的放大为低压大电流的信号并输出驱动负载半导体激光器工作。

在本文所设计的半导体激光器电源中由于信号发生器输出的是矩形波,即输出的信号输出到下一级是作为下一级电路的开关信号,因此对于本系统来说比较简单的功率放大模块就是一个功率三极管。

从信号发生器输出的信号就是开关信号,开关信号驱动功率三极管在开和关的两种状态间转换。

1.1.2.5慢启动电路

电路设计要保证激光器长期稳定地工作,设计慢启动电路的目的就是防止浪涌冲击。

为此设计了慢启动电路原理图如图1.2所示。

而慢关闭电路与慢启动电路类似。

图1.2慢启动电路

1.1.2.6半导体激光器的冷却装置

当半导体激光器输出激光时就会有热量产生,因而就必须给半导体激光器和半导体驱动器件附加散热和冷却装置。

图1.3自动温度控制的冷却驱动系统

图1.3电路的基本原理是用热敏电阻

来测量半导体激光器的壳体温度。

所测量的电压信号与温度设定的电压信号进行比较。

如果半导体激光器的壳体温度高于设定的温度,则让电流通过帕尔帖器件,从而对激光器进行冷却。

A1为LM368,T为2SK40S（此处用散热片）。

1.1.2.7激光器保护模块

本模块除供电模块和半导体激光器外是与其它模块隔离的。

这样做是为了尽量减少其它模块对本模块的干扰,同时也是避免对其它的模块干扰。

如图1.4所示,在正常状态下B是断开的而A、C保持导通状态,一旦电路失控B马上将激光器短路,同时A、C打开,将半导体激光器和B从电路上断开。

其中B的反应速度最快而A、C用一般的器件即可。

图1.4保护模块工作原理示意图

1.1.2.8监控反馈模块

本模块通过包括在半导体激光器内部的探测器在内的大量探测器来收集信息,通过对信号发生模块、功率放大模块的控制来提高半导体激光器的稳定性。

1.1.2.9总结

在本电源中使用慢启动电路和半导体激光器冷却装置等设备,能在一定范围内解决由于在电网中电源附近有大功率器件开关或其它原因引起的浪涌对半导体激光器的影响。

而慢启动电路则会对整个系统起到保护的作用,使之不会因为在频繁的开关中缩短各个元件的工作寿命。

本电源提供了带有冷却的半导体激光器插座,一方面减少由于过热而减少激光器寿命的可能性,另一方面可以将半导体激光器的“温漂”效应控制在较小的范围内。

1.2大功率半导体激光器腔面处理方法

大功率半导体激光器具有功率转换效率高、体积小等诸多优点,近年来除了在泵浦Nd:

YAG固体激光器、光纤放大器等传统方面的应用外,还广泛用于激光手术、理疗等医疗领域,并在工业热处理、焊接等领域呈现出良好的应用前景。

但是,与其他激光器相比,半导体激光器的光功率密度较低,目前商用器件单条连续输出功率最大也只有100W左右,限制了其在高光功率密度需求方面应用。

如果将半导体激光器单元光功率提高一个量级,达到单条输出功率在kW以上,将大大拓宽半导体激光器在材料加工、激光热处理乃至激光能量武器方面的应用范围。

1.2.1腔面失效机理

导致COMD失效过程如图1.5所示。

半导体材料氧化或其他杂质缺陷导致在激光器腔面存在深能级（界面态）,在腔面附近光吸收产生的电子-空穴对在腔面区域通过表面态产生非辐射复合,使腔面发热导致腔面附近带隙减小,加剧了腔面光吸收,同时电流也更集中于腔面附近窄带隙区域。

这样形成正反馈环,当温度足够高时,导致腔面烧毁,即COMD。

图1.5导致COMD失效过程

1.2.2抑制腔面失效的办法

鉴于以上产生COMD的几个因素,要抑制腔面失效,就要消除或减少引起腔面失效的环节,应关注解决以下几个方面问题:

（1）减小腔面的非辐射复合中心。

腔面非辐射复合中心主要来自于腔面被氧化而产生的深能级,解决途径是在腔面工艺过程中防止腔面的氧化,或在镀膜前采取措施清除表面的氧元素;

（2）抑制腔面注入电流,减小注入电流的非辐射复合导致的热;

（3）抑制腔面附近光吸收,从而减少光生载流子,抑制腔面电流;

（4）提高腔面膜层的散热能力;

（5）减小腔面镀膜层与器件材料间的应力。

1.2.2.1真空解理镀膜

半导体激光器腔面在解理时很容易与空气中的O等发生反应而产生污染,如在真空中进行解理镀膜,就可避免解理镀膜过程中的氧化,从而抑制腔面非辐射复合。

在高真空中首先将做好的芯片解理成激光器条,然后仍在真空、无氧环境下镀激光器腔面保护膜。

要求保护膜是非吸光材料,且不与腔面发生反应,可有效阻挡来自氧化物介质膜杂质的扩散,一般选用ZnSe或Si、Ge等材料。

ZnSe具有2.75eV宽带隙,在830nm下折射率为2.5,采用电子束蒸发,在700℃左右可获得化学计量比的膜层。

低温蒸发可以减小系统真空壁及腔体内其他部件吸附气体的排出,且ZnSe的晶格常数接近GaAs,晶格失配只有0.27%。

1.2.2.2非注入电流腔面

通过抑制腔面附近的注入电流来减小注入到腔面的载流子,是减小腔面非辐射复合的简单方法。

采用介质氧化层隔离方法在腔面附近约20μm的区域制作电流绝缘层（如图1.6）,为防止注入电流扩展,必要时应腐蚀掉该区域半导体表面的高掺杂接触层。

隔离区的长度应大于载流子的平均扩散长度,但过大可能导致激光器P-I性能的下降,故最大长度设计须折中考虑。

同时,隔离区的设计要便于腔面解理,不影响芯片烧焊的热接触。

图1.6电流绝缘层

1.2.2.3非吸收透明窗口

采用非注入电流腔面能够消除注入对腔面电流的影响,但不能完全解决腔面载流子问题。

腔面载流子主要来自于光生载流子,如何减小腔面附近光子的吸收是关键。

将腔面附近的量子阱带隙能量加宽,使其对激射波长透明,是抑制光在腔面附近被吸收,减少光生载流子产生的有效方法。

1.2.2.4腔面离子清洗

尽管高真空解理可以避免腔面被氧化,但操作极为不便,不易提高工效和成品率。

人们针对在大气环境下解理后产生的氧化污染,提出了用离子束研磨清洗腔面获得无污染腔面的方法。

将解理后的激光器条,用Ar离子或其他离子进行研磨清洗,去除氧化层等杂质污染。

为了防止腔面被再次氧化,真空系统的真空度应高于10-5Pa。

为了获得光滑的腔面,要选用合适的离子和能量,典型的能量为50~500eV,0°

~85°

的入射离子角度。

刻蚀气源可以选择Ar、N2、H2、卤素气体中的一种或混合气体,常用的是Ar和N2。

H2容易与O结合,有助于加快清除O原子,可作为辅助气体通入。

第三章大功率半导体激光器应用

大功率半导体激光器是一类用途非常广泛的光电子器件，输出功率可以高达百瓦、千瓦，甚至准连续输出功率达万瓦以上，而且这些器件的能量转换效率可高达50％以上。

半导体激光器相对于其他类型激光器的最大特点就是波长多样性，随着应用领域的不断拓宽，大功率激光器的研究几乎包括整个650-1700nm波段。

表2.1为大功率半导体激光器的应用状况

表2.1大功率半导体激光器的应用状况

波长/nm

材料

结构

应用领域

650

磷化铝镓

单管,脊状或潜伏结构,基模

DVD技术

630~680

单管,宽领域,多模

医学应用

780

单管,脊状或潜伏结构，基模

CD技术

780~860

激光阵列,宽领域,多模

泵浦固体激光器

808

医学应用或泵浦固体激光器

940~980

砷化镓

宽领域，多模

红外光源，医学应用

941

激光阵列，多模

Yb泵浦，YAG固体激光器

976

激光阵列，宽领域，多模

光纤泵浦激光器

980

单管，脊状结构，基模

掺铒光纤放大器和泵浦光纤激光器

1455

磷化铝镓或砷化镓

单模，脊状或潜伏结构，基模

拉曼泵浦放大器

1480

单管，宽领域，基模

泵浦掺铒光纤放大器

大功率半导体激光器在医疗方面的主要应用见表2.2。

表2.2大功率半导体激光器在医疗方面的主要应用

操作模式

810,832,980

连续波

激光外科手术

800,810

脉冲

脱毛技术

1450

去除痤疮，皱纹

近年来，本研究组积极将研制的大功率半导体激光器与实际的高科技应用设备相结合，推动大功率半导体激光器技术向实际应用转化。

自2000年以来，本研究组与海特光电公司合作开发的激光手术刀和激光脱毛等激光医疗设备已经产品化，并投放市场。

军事方面的主要应用为：

（1）半导体激光制导跟踪。

从制导站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探测器接受到激光信号，经信号处理后，调整导弹的飞行方向，从而实现制导跟踪。

（2）半导体激光雷达。

半导体激光雷达体积小，精度高，具有多种成像功能和实时图像处理功能。

可用于检测目标，测量大气水汽，云层，空气污染等。

（3）半导体激光引信。

通过对激光目标进行探测，对激光回波信息进行处理和计算，判断目标，计算炸点，在最佳位置进行引爆。

（4）激光测距。

半导体激光光源具有隐蔽性，广泛应用在激光夜视仪和激光夜视监测仪。

（5）激光通信光源。

半导体激光器是一种理想光源，具有抗干扰，保密性好等优点。

蓝绿光可用于潜艇和卫星以及航空母舰的通信。

（6）半导体激光武器模拟。

可用于新型军训和演习技术。

此外，半导体激光器还广泛应用在激光瞄准和报警、军用光纤陀螺等方面。

大功率半导体激光器技术涵盖了几乎所有光电子领域。

大功率半导体激光器的进展表明我国光电子领域的整体发展和提高。

主要针对国内大功率半导体激光器主要研究内容和关键技术进行了总结介绍，并结合本研究组的研究特色，重点介绍了外延片结构的研究、光束整形与耦合技术以及产品化应用情况。

结论

当今，大功率、高效率的激光器已经广泛应用于：

工业、军事和医疗行业中，作为固体激光器的泵浦源以及用于材料加工。

半导体激光器的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且体积小、重量轻、寿命长。

因此，品种发展快，运用十分广泛。

虽然我国半导体激光器的研制和生产技术有了一定的基础，但要与国际上迅速发展的趋势相比，我国还有一些差距，这需要我们刻苦专研，努力创新。

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（1）：

:

16-22.

致谢

首先感谢张晓霞老师这一个学期以来对我的教诲。

在这一个学期的学习中，张老师自始至终给予了我亲切的关怀、热情的鼓励和悉心的指导。

她渊博的知识、敏锐的科学洞察力、严谨的治学风格、豁达的处世态度是我永远学习的榜样。

时也必将极大的影响我以后的工作态度，工作方法。

在此，特阳两位陈老师和杨老师对我的悉心栽培致以最诚挚的谢意，衷心感谢这两年来他们对我无微不至的关怀和孜孜不倦的教诲。

衷心祝愿张老师身体健康，万事如意。

经过一个学期的学习，我增长了半导体光电子学方面的知识，重新温故了本科期间所学的固体与半导体物理中的内容。

也对我即将参加的科研项目有很大的帮助。

最后感谢审阅本文的各位老师。