激光器课程设计.doc

一、激光器的分类3（一）、按工作物质的性质分类3（1）固体激光器3（2）气体激光器3（3）分子气体激光器5（4）YAG 激光器6（5）半导体激光器7（6）液体激光器8（二）、工作方式分类8（三）、按能量输出分类8二、半导体激光器学习9（一）、基本简述9（二）、半导体激光器原理10同质结激光器的工作原理11异质结激光器的工作原理12（三）、半导体激光器的应用13在军事上的应用131. 半导体激光雷达132. 半导体激光测距133. 半导体激光制导跟踪144. 半导体激光瞄准和告警145. 半导体激光引信156. 半导体激光武器模拟167. 军用光纤陀螺16在医疗领域的应用161血管外科162.泌尿科173.口腔科174.肿瘤科175.激光美容18在工业生产生活上的应用181.光纤通讯182.光盘存取183.光谱分析184.光信息处理195.激光微细加工196.激光报警器197.激光打印机198.激光条码扫描器199. 抽运固体激光器1910.高清晰度激光电视19（四）、半导体激光器的结构图20（五）、半导体激光器的驱动电路图21一、激光器的分类（一）、按工作物质的性质分类在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。如固体激光器中有红宝石激光器、钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器。气体型的激光器主要有He-Ne（氦氖）、CO2及氩离子激光器等。由于工作物质不同，产生不同波长的光波不同，因而应用范围也不相同。最常用而范围广的有CO2laser及Nd：YAG激光。有的激光器可连续工作，如He-Ne laser；有的以脉冲形式发光工作。如红宝石激光。而另一些激光器既可连续工作，又可以脉冲工作的有CO2laser及Nd：YAG laser。（1）固体激光器实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质（即含有亚稳态能级的工作物质）。如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器，分别称为晶体激光器和玻璃激光器，通常把这两类激光器统称为固体激光器。在激光器中以固体激光器发展最早，这种激光器体积小，输出功率大，应用方便。由于工作物质很复杂，造价高。当今用于固体激光器的物质主要有三种：掺钕铝石榴石（Nd：YAG）工作物质，输出的波长为1.06m呈白蓝色光；钕玻璃工作物质，输出波长1.06m呈紫蓝色光；红宝石工作物质，输出波长为694.3nm，为红色光。主要用光泵的作用，产生光放大，发出激光，即光激励工作物质。 固定激光器的结构由三个主要部分组成：工作物质，光学谐振腔、激励源。聚光腔是使光源发出的光都会聚于工作物质上。工作物质吸收足够大的光能，激发大量的粒子，促成粒子数反转。当增益大于谐振腔内的损耗时产生腔内振荡并由部分反射镜一端输出一束激光。工作物质有2条主要作用：一是产生光；二是作为介质传播光束。因此，不管哪一种激光器，对其发光性质及光学性质都有一定要求。（2）气体激光器工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体，有的物质在通常条件下是液体（如非金属粒子的有水、汞），及固体（如金属离子结构的铜，镉等粒子），经过加热使其变为蒸气，利用这类蒸气作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。气体激光器中除了发出激光的工作气体外，为了延长器件的工作寿命及提高输出功率，还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。气体激光器大多应用电激励发光，即用直流，交流及高频电源进行气体放电，两端放电管的电压增压时可加速电子，带有一定能量，在工作物质中运动的电子与粒子（气体的原子或分子）碰撞时将自身的能量转移给对方，使分子或原子被激发到某一高能级上而形成粒子数反转，产生激光。气体激光器与固体激光器相比较，两者中以气体激光器的结构相对简单得多，造价较低，操作简便，但是输出功率常较小。因气体激光器中的工作物质不同。因此分中性（惰性）原子、离子气体、分子气体三种激光器。中性原子气体激光器这类激光器中主要充有以惰性气体（氦、氖、氩、氪等）的物质。具有典型应用的就是He-Ne（氦氖）激光器。 首台He-Ne激光器诞生于1960年，它可以在可见光区及红外区中产生多种波长和激光谱线，主要产生的有632.8nm红光、和1.15m及3.39m红外光。632.8nmHe-Ne激光器最大连续输出功率可达到1W，寿命也达到10Kh以上。借助调节放大电流大小，使功率稳定性达到30秒内的误差为0.005，十分钟内的误差为0.015的功率稳定度；发散角仅为0.5毫弧度。He-Ne激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好，单色性好，相干性强诸优点外，还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。He-Ne激光在精确指示，激光测量，医疗卫生方面有很广泛的用途。He-Ne激光器结构大体可分为三部分，既放电管、谐振腔和激发的电源。现在临床上最常应用的为内腔式He-Ne激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。这就产生了激光必须具备的基本条件。在发生受激辐射时，分别发出波长3.39m，632.8nm，1.53m三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。He-Ne激光的放电管，最外层是用硬质玻璃制成。放电的内管直径约23mm，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。管内主要按5：110：1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约2.663.99Pa。管的一端装有铝圆筒作阴极（其圆管状结构主要是为了减少放电测射），另一端装有钨针作阳极，放电管两端装有反射镜（即一头为全反射镜，出光一端为半反射镜）。这就构成了激光放电管。在He-Ne激光器中，采用的谐振腔有球面腔或平凹腔。一般腔镜内侧镀有高反射率的介质。在其中一端反射率为100，另一端反射率由激光器的增益而定。放电毛细管长度约1520cm，He-Ne激光器的半反射镜的半反射镜的反射率98.599.5。谐振腔的轴线和放电毛细管 He-Ne激光器的外界激励能源与固体激光器不相同，不能使用光泵激励，而采用电激励的方法。把工作物质封入放电管中，供以直流、交流及射频等方式激励气体放电。通过放电过程把能量传给工作物质，促使气体中的离子、原子被激发。医疗中使用的激励方法主要是以直流电激发出光。大体结构主要有高压变压器、整流与滤波回路、限流与稳流回路组成。 （3）分子气体激光器分子气体激光器与原子气体激光器不一样，分子气体由碳和氧组成（最常用），其原则上是能够实现高效率与高功率输出。分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一和种激光器，分子能级跃迁形式与原子能级跃迁相同。只不过是工作物质为分子与原子的差别。分子气体激光器中主要使用的为CO2激光器。CO2激光器效率高，不造成工作介质损害，发射出10.6m波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分封闭式及循环式，按激励方式分电激励，化学激励，热激励，光激励与核激励等。在医疗中使用的CO2激光器几乎百分之百是电激励。CO2激光器与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动并决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂，因而能级也很复杂。CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论，CO2有三种不同的振动方式：二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动。三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。CO2激光器中，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。CO2激光器的放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。CO2激光器结构组成为：激光管：是激光机中最关键的部件。常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。CO2激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响，主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应，应根据管长而定。管长的粗一点，管短的细一点。放电管长度与输出功率成正比。在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。加水冷套的目的是冷却工作气体，使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端经过螺旋形回气管与放电管相通，这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动，放电管中的气体随时交换。 （4）YAG 激光器 是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体激光器。钇铝石榴石的化学式是Y3 Al5 O15 ,简称为YAG。在YAG基质中掺入激活离子Nd3+ (约1%)就成为Nd:YAG。实际制备时是将一定比例的Al2 O3、Y2 O3 和NdO3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd:YAG属于立方晶系, 是各向同性晶体。 由于Nd:YAG属四能级系统, 量子效率高, 受激辐射面积大, 所以它的阈值比红宝石和钕玻璃低得多。又由于Nd:YAG晶体具有优良的热学性能, 因此非常适合制成连续和重频器件。它是目前在室温下能够连续工作的唯一固体工作物质，在中小功率脉冲器件中, 目前应用Nd:YAG的量远远超过其他工作物质。 和其他固体激光器 一样, YAG 激光器 基本组成部分是激光工作物质、泵浦源和谐振腔。不过由于晶体中所掺杂的激活离子种类不同, 泵浦源及泵浦方式不同, 所采用的谐振腔的结构不同,以及采用的其他功能性结构器件不同,YAG激光器又可分为多种, 例如按输出波形可分为连续波YAG激光器、重频YAG激光器和脉冲 激光器 等; 按工作波长分为1.06mYAG 激光器 、倍频YAG激光器、拉曼频移YAG 激光器 (=1.54m)和可调谐YAG 激光器 (如色心激光器)等; 按掺杂不同可分为Nd:YAG激光器、掺Ho、Tm、Er等的YAG激光器; 以晶体的形状不同分为棒形和板条形YAG 激光器 ;根据输出功率(能量)不同, 可分为高功率和中小功率YAG激光器等。形形色色的YAG 激光器 , 成为固体激光器中最重要的一个分支。 （5）半导体激光器 半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。 半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN 结或PIN 结为工作物质的一种小型化激光器.半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(GaAs )、砷化锢(InAs)、氮化镓（GaN)、锑化锢( InSb)、硫化锅( cds )、蹄化福(CdTe )、硒化铅(PbSe)、啼化铅(PhTe )、铝稼砷(A1xGa,-,As)、锢磷砷(In-PxAS)等.。 半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高能电子束激励式.。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给Pn 结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管.对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在0.3 -34um之间.其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是AlGaA:双异质结激光器，其输出波长为750 - 890nm.。世界上第一只半导体激光器是1962 年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE)，气相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积)，化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺.其激射闭值电流由几百mA 降到几十mA，直到亚mA，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时从最初的低温(77K)下运转发展到在常温下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级 (阵列器件)它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%).便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代.。 半导体激光器最大的缺点是：激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到20度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差.但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高.目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高.以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21 世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用.。主要半导体激光器的工作原理、发展历史和应用前景作一简略的介绍. （6）液体激光器 常用的是染料激光器，采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用。（二）、工作方式分类可分为连续型和脉冲型等（三）、按能量输出分类可以分为大功率激光器和小功率激光器。大功率激光器的输出功率可达到兆瓦量级，而小功率激光器的输出功率仅有几个毫瓦。如前所述的He-Ne激光器属于小功率、连续型、原子气体激光器。红宝石激光器属于大功率脉冲型固体材料激光器。二、半导体激光器学习（一）、基本简述半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。 半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管（Laser diode）等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。激光二极体的优点有：效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有2040%，P-N型也达到数%25%，总而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围，而光脉冲输出达50W（带宽100ns）等级的产品也已商业化，作为激光雷达或激发光源可说是非常容易使用的激光的例子。 半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、其应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、测试测量仪器、激光显示、医疗仪器、军事、安防、野外探测、建筑类扫平及标线类仪器、实验室及教学演示、舞台灯光及激光表演、激光水平尺及各种标线定位等。 半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的应用，如野外测距、枪炮等的瞄准、射击模拟系统、致盲、对潜通信制导、引信、安防等。由于可用普通电池驱动，使一些便携式武器设备配置成为可能。 目前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有370nm、390nm、405nm、430nm、473nm、532nm、593nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中1310nm、1550nm主要用于光纤通讯领域。390nm - 370nm为紫外光波段，405nm - 670nm为可见光波段，780nm - 1550nm为红外光波段。半导体激光器的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高半导体激光器的内、外部量子效率。常规5mm型半导体激光器封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质（掺或不掺散色剂），起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到半导体激光器的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。（二）、半导体激光器原理半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：（1）要产生足够的 粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。同质结激光器的工作原理1注入式同质结激光器的振荡原理。由于半导体材料本身具有特殊晶体结构和电子结构，故形成激光的机理有其特殊性。 （1）半导体的能带结构。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。 （2）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（25） 1018cm-1；p型为（13）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。（3）p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半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（如30000A/cm2）。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（110面）构成，它有较高的反射率，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。异质结激光器的工作原理异质结激光器的“结”是用不同的半导体材料制成的，采用异质结激光器的目的是为了有效地限制光波和载流子，降低阈值电流，提高效率。单异质结激光器与双异质结激光器（从材料）GaAs材料与GaAl材料Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中掺入AlAs而形成，叫作砷镓铝晶体，1-x,x是指AlAs与GaAs的比例。直到两半导体有相等的 ，异质结即处于平衡状态。与p-n结一样，在两种半导体材料上界面的两侧形成空间电荷区。N型半导体一边为正电荷，P型半导体一边为负电荷，这就是异质结区（阻挡层）。由于内建场的存在，使电子具有了附加电位能，因而使空间电荷区的能带发生了弯曲（基本与p-n结的形成相同的）。区别：由于禁带 不同，因而在两材料的上界面附近其能带出现与p-n结不同的特点：一能带在这界面处的变化是不连续的。1.在导带底，能量突变 ，在这里形成“光路”。2.在价带底，能量突变 , 在这里形成“凹口”。3.导带的势垒与价带不同，导带势垒低，而价带势垒高。4.当n区的电子进入p区时所遇到的阻力要大。 当p区的空穴进入n区时所遇到的阻力要小。5.势垒的减低和增高与 . 有关，即与两材料的禁带宽度 之差有关。（三）、半导体激光器的应用在军事上的应用1. 半导体激光雷达早在70年代，半导体激光雷达采用合作目标探测，就已用于舰船入港时避障和防撞，空间会合和高速或超高速干道上车辆的测距。例如美国国际电话公司在1967 年就研制出了第一代用于飞船交会制导的GaAs 扫描激光雷达，1977年研制出了第二代，作用距离90km，这种飞船载雷达机动性好，总重量为18kg。半导体激光雷达已用于卫星对接系统，该雷达系统由几个子系统组成，一部分安装在第一卫星上，另一部分安装在第二个卫星上。此外，在1977年之前美国就开发出了一种便携式GaAs激光雷达，它用GaAs激光器照明。进入80年代以后，非合作目标探测的半导体激光雷达发展起来并用于航天飞机回收卫星时的精确定位等。在海湾战争中，半导体激光雷达曾用于直升机在甲板上的起降控制和防止直升机夜间飞行中与沙丘碰撞。研制这种半导体激光雷达有美国Laser Technology和Laser Atlata等公司。此外，美国的休斯公司、Schwatz公司、Sparta公司、洛雷尔系统公司以及法国的汤姆逊公司等在80年代末至90年代初还分别研制出半导体激光成像雷达，用于战场侦察、低空飞行器下视和防撞以及主动激光制导等。半导体激光雷达已成功地用于常规兵器。美国桑迪亚国家实验室受到高功率半导体激光器发展的推动，研制了一种125mW半导体激光的测距、成像激光雷达。它能够以4次/s 的速度更新图像，相当清晰地区分装甲车的类型和人、车之间距离，可用为常规兵器自动目标识别和瞄准修正系统的组成部分，也可作为机器人的视觉系统以及自主飞行器的控制系统。新型半导体激光雷达除了具备上述半导体激光雷达的优点外，还具备以下特性；（1）与被动探测（红外系统）相结合；（2）多种成像功能，包括强度成像、距离成像和速度成像；（3）具有先进的实时图像处理功能，包括各种成像的综合、图像跟踪和目标的自动识别等。2. 半导体激光测距二极管激光测距仪开发较早，小于1km测量距离的商用测距仪已达到实用水平，用于测距报警系统、航海浮标测距、集装箱检查等。GaAs激光测距仪以数千次/s 的脉冲重复频率工作，在距离几公里内精度可达几厘米。80年代，美国科顿公司的M931 型半导体激光测距夜视仪，将单目夜视装置和GaAs半导体激光器集为一体，测程超过1km ，重量1.3kg 。美国国际激光系统公司GR500 型激光测距机，采用GaAs 激光器，重复频率为2kHz ，脉宽40nS ，发散角5 50mrad ，测3230m ，重量10kg 。美国轻型反坦克武器激光测距机采用GaAs激光器，输出功率40W ，宽70ns , 发射角10 mrad ，重复频5 .7kHz ，测距大于500m 。随着半导体激光泵浦固体激光器的发展，美国麦道公司已将它引入军事市场，1990 年初开始在F / A -18 战斗机上进行试验，1991 年春季投入生产。用气冷的激光二极管泵浦Nd；YAG ，输出波长为1.064m或532nm ，脉冲能量达200mJ ，工作温度-35 +60 ，该装置的重量为4 .5kg - 5 .7 kg。3. 半导体激光制导跟踪激光制导跟踪在军事上具有十分广泛的应用，一种方法是光纤制导通过一根放出的光纤把传感器的信息传送到导弹控制器，观察所显示的图像并通过同一光纤往回发送控制指令，以达到控制操纵导弹的目的。最近，美国陆军航空与导弹司令部正在研制射程为15km的增强型光纤制导导弹和可在100km以上远距离实施精确打击的远程光纤制导导弹。激光制导的另一种方法是驾束制导，又称激光波束制导。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测到激光信号，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，激光驾束制导可用于地-空，空-空，地-地导弹等多种类型的导弹制导，瑞典RBS-700地-空导弹是世界上第一个激光驾束制导武器系统，1967年开始研制，1975年投入生产，1976年装备部队。该弹采用GaAs激光器，导弹射程5km（即半导体激光器作用距离），射高3km，激光器与导弹射程完全匹配。改进后的第二代武器系统，射程可增加到6.5km，射高4.5km，增加了红外夜视装置，可在10km 处发现目标。美军从1981年开始研制利用半导体激光器制导的导弹，已用于TOW 反坦克导弹、FOG-M导弹。4. 半导体激光瞄准和告警瞄准具有两类。一类以发射红外激光的GaAs激光器为基础，士兵须佩戴夜视镜才能看到目标上的激光光斑，以解决夜间士兵的瞄准射击问题。另一类激光瞄准具是以发射红色激光和可见光的半导体激光器为基础。美国激光装置公司在80年代推出的FA-4型激光瞄准具，重量仅99g，长11.4cm，该瞄准具可装在手枪上。在海湾战争中，美国部队已将激光瞄准具和激光告警同时用于直升飞机的驾驶上。另外，美国已将供地面使用的激光二极管瞄准具装在直升机机枪上，并配用夜视眼镜，以提高这些武器的效能。在半导体二极管阵列型激光告警系统中，借鉴雷达对抗信号分选原理，采用微处理器，能够实现多激光威胁源的信号处理。在海湾战争中，美国部队已将激光瞄准具和激光告警同时用于直升机的驾驶上，由于在沙漠中反差变化小，不利于低空飞行，为驾驶员提供快速的定位装置，是在起落架中增设了两个脉冲激光二极管瞄准灯，驾驶员使用的夜视装置可以看到激光的反射，给驾驶员提供距沙丘300600m 的明确标示，足以使驾驶员采取规避动作，安全地通过任何凸起地形，为满足不同波长激光和可调谐激光器的探测要求，激光告警的工作波段不断拓展，角分辨率也不断提高，研制的双波段型复盖的波段可从0.451.65m，这种设备已在“豹”型坦克上作了实验，并于1988年在直升机上进行双波段设备的实验，美国研制的AN/AVR-2A告警器具有附加的RS-422接口，可在直升机上配用不同显示器，也可通过接口卡，方便地与先进战术红外对抗(ATRCM)和先进技术雷达干扰机(ATRJ)等对抗系统相组合，它用来装备阿帕奇AH-64直升机和英军的新型攻击直升机，并在海湾战争和最近的伊拉克战争中使用。5. 半导体激光引信半导体激光器是唯一能用于弹上引信的激光器，激光近炸引信可以准确地确定起爆点，使弹头适时起爆，激光发射装置与接收装置均置于弹的头部，当弹丸接近目标到最佳炸点时，反射激光信号强度就达到一定程度，使执行机构执行起爆任务，保险和自炸机构是引信独有的，炸弹一旦未捕获或失丢目标以及引信失灵后，自炸机构可以引爆弹丸自毁。根据功能分类，近炸引信可分为光学引信和磁引信以及其它引信（复合引信与指令引信）。光学引信又包括红外引信（被动式）和激光引信（主动式）。激光引信是通过辐射的激光光束（近红外线），探测物质反射回来的光而工作的一种引信。70年代美国就出现了2.75in 的火箭弹用激光引信、“猎鹰”导弹和“小槲树”导弹用激光引信、AIM-9L“响尾蛇”导弹用DSU-15/B型激光引信。1977年英国研制了一种带有GaAs激光二极管的对空导弹近炸引信。1980年以来，美国AGM-88A型高速反雷达导弹、美国和瑞士联合研制的ADATS防空反坦克导弹、美国M16A步枪发射的枪榴弹，以及瑞典RDS-70导弹、法国“马特拉”导弹都采用了半导体激光引信。目前，美国麦道公司还开发了一种通过光纤把激光二极管的激光能量与武器连为一体的利用激光能量触发武器起爆的装置。这种微型激光起爆混合组件把二只激光二极管装在210.23in3的混合电路管壳内，重量仅22g。选用的激光二极管为窄光束大功率器件，额定功率5W，脉宽10ns，光纤直径125m，典型武器起爆要求功率最小为250mW，典型设计额定为400mW，例行试验寿命大于200万个脉冲。6. 半导体激光武器模拟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、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。用对眼睛安全的激光器作为战术训练系统的基础，最初叫做激光交战系（LES）。该系统研制始于1973年秋，至1975年其可行性得到了证实。次年引进微处理机技术，于是LES.发展成为多功能激光交战系统（MILES）。同年，赛罗克斯电光系统公司接受了全套MILES。工程的研制合同，向陆军提供8万多套装备，用于地面作战模拟。此外该公司还研制了空对地作战系统以及MILES空防样机。7. 军用光纤陀螺光纤陀螺技术是军用光纤领域中用途最广，对目标监视和测量方面不可缺少的技术手段。光纤陀螺仪由于其精度高、质量轻、可靠性优于机械陀螺和激光陀螺，在军用民用光纤通信、光纤制导导弹、制导鱼雷、发射遥控飞行器和布雷等方面不可缺少，其中声响用于反潜武器，旋转用于改善战术导弹和飞机的惯性导航系统，以加强地面或空中发射的巡航导弹及空-地、地-空导弹的性能。在医疗领域的应用1血管外科血管腔内激光治疗(EVLT)作为一种新型的微创疗法具有损伤小、血管封闭率高等优点，广泛应用于静脉曲张等静脉疾病治疗。目前临床上应用的激光主要81Ohm、94Ohm、980nm半导体激光以及1064nm Nd：YAG激光，以氧合血红蛋白为激光靶子，诱发的热量促使血液沸腾产生“蒸汽泡”，间接损伤血管壁以致血管闭塞，治愈率在90至100之间，其主要缺点是手术有后疼痛和瘀伤等副作用。2.泌尿科良性前列腺增生是一种常见病，在老年人中的发病率高达85。传统的经尿道前列腺切除术(TURP)治疗前列腺增生效果良好，但手术难度大、出血多、术后复慢、并发症多。随着激光技术的发展，各种激光疗法相继应用于临床，主要分为组织内激光凝固术和激光组织消融术两种类型。3.口腔科20世纪9o年代中期以来，半导体激光治疗系统得到牙科医生的亲睐，广泛应用于牙周病、牙髓炎等口腔疾病治疗。临床上应用较多的足810tun和980nm半导体激光，输出功率在0至IOW 范围内，产品主要有美国Biolas公司LaserSmile、德国Biolitec公司的SmilePr0980TM、以色列KaVo公司的GENIrav 980等系列。为了满足农村诊所以及野外治疗对激光治疗仪多功能、简便快捷等需求，口腔激光治疗仪向着智能化、小型化方向发展。例如，德国的ARC公司推出的一款FOX系列小型半导体激光治疗仪，尺寸只有12cm21cm10cm，重量只有12kg，由充电电池供电，脉宽最小达1ms，重复频率1Hz至03KHz，最大激光