半导体激光器工作原理及基本结构.ppt

半导体 固体激光器 主讲人 半导体 固体激光器 工作原理及基本结构器件分类 主要参数 应用 半导体激光器工作原理及结构 半导体激光器按泵浦方式不同 可以分为注入式激光器 光泵激光器和电子束泵浦激光器 其中注入式激光器是利用同质结构或异质结将大量的过剩载流子 电子一空穴对 注入激活区以形成集居数反转 这类激光器由于容易实现电流直接调制输出 因此它是目前使用最为广泛的一种半导体激光器 所以接下来我们来着重介绍一下注入式半导体激光器的工作原理 半导体激光器工作原理及结构 注入式半导体激光器是一种在电流注入下能够发出相干辐射光 相位相同 波长基本相同 强度较大 的光电子器件 半导体激光器工作原理 工作三要素 受激光辐射 谐振腔 增益大于等于损耗 自发光辐射和受激光辐射 自发光辐射 发光二极管 当给器件加正向偏压时 n区向p区注入电子 p区向n区注入空穴 在激活区电子和空穴自发地复合形成电子 空穴对 将多余的能量以光子的形式释放出来 所发射的光子相位和方向各不相同 这种辐射叫做自发辐射 受激光辐射 半导体激光器 在材料设计时 考虑将p区和n区重掺杂等工艺 使得辐射光严格在pn结平面内传播 单色性较好 强度也较大 这种光辐射叫做受激光辐射 法布里 珀罗谐振腔 形成相干光 垂直于结面的两个平行的晶体解理面形成法布里 珀罗谐振腔 两个解理面是谐振腔的反射镜面 在两个端面上分别镀上高反膜和增透膜 可以提高激射效率 一定波长的受激光辐射在谐振腔内形成振荡的条件 腔长 半波长的整数倍L m 2n 增益和阈值电流 增益 在注入电流的作用下 激活区受激辐射不断增强 损耗 受激辐射在谐振腔中来回反射时的能量损耗 包括载流子吸收 缺陷散射及端面透射损耗等 阈值电流 增益等于损耗时的注入电流 半导体激光器的分类 材料和波长 可见光 GaAs衬底InGaN GaAs480 490nm蓝绿光InGaAlP GaAs630 680nmAlGaAs GaAs720 760nm近红外长波长 GaAs衬底AlGaAs GaAs760 900nmInGaAs GaAs980nm远红外长波长 InP衬底InGaAsP InP1 3um1 48um1 55um输出激光可以是连续的 CW 准连续 QCW 的和脉冲 Pulse 的 半导体激光器的应用 随着科学技术的发展 目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平 而且光束质量也有很大提高 因此半导体激光器的应用范围日益扩大 不仅可以作为光纤通信的光源和指示器 以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统 目前已经扩展到下列应用范围 固体激光器的泵浦 打印 激光医学治疗和卫星通讯等 由于半导体激光器可以通过改变磁场或调节电流 热效应 实现波长调谐 且已经可以获得线宽很窄的激光输出 因此利用半导体激光器可以进行高分辨光谱研究 此外 现在波长633 635nm的半导体激光器的品种不少 有的质量很好 有可能代替现有的He Ne激光器 它可以与打印机 复印机的光导数的光谱性能更好地匹配 从而促进激光打印机和静电复印机的发展 如果采用适当的光学系统 进一步改善激光器的光束质量 也有可能使半导体激光器进入精密计量测试 例如用半导体激光器构成激光干涉仪 例用它的频率调制特性 可以不用异轨也不数大量干涉条纹就能测量出光程差 从而可以求出几何长度 总之 半导体激光器随着它本身质量和性能指标提高 它的应用前景必然是越来越广阔 半导体激光器的应用 在军事上的应用 1 激光引信 半导体激光器是唯一能够用于弹上引信的激光器 激光近炸引信能够准确的确定起爆点 并有很好的电磁干扰能力 已在多种导弹和炸弹上使用 2 激光制导 它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标 3 激光测距 主要用于反坦克武器以及航空 航天等领域 4 激光雷达 高功率半导体激光器已用于激光雷达系统 小型激光雷达已用于常规兵器的自动目标识别和瞄准修正系统 机器人视觉系统和自主飞行器控制系统 5 激光模拟 这是半导体激光器用于军事训练和学习的技术 通过调节射束的方位来模拟任何武器特征的目的 已经成功的模拟了步枪 火炮等 半导体激光器的应用 在产业技术上的应用 1 光纤通信 光纤通信已经成为当代通信技术的主流 半导体激光器是光纤通信系统的唯一实用化的光源 2 光盘存取 半导体激光器已经用于光盘存储器 其最大优点就是存储信息量很大 采用蓝 绿激光能够大大提高光盘存储密度 3 光谱分析 远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析 监测大气污染 汽车尾气等 4 光信息处理 半导体激光器已用于光信息处理系统 表面发射半导体激光器 二维列阵是光并行处理系统的理想光源 可用于光计算和光神经网络 5 激光微细加工 借助于Q开关产生的高能量超短光脉冲 对集成电路进行切割 打孔等 半导体激光器的应用 在产业技术上的应用 6 激光报警器 半导体光报警器的用途甚广 包括防盗窃报警 水位报警 车距报警等 7 激光打印机 高功率半导体激光器已经用于激光灯打印机 采用蓝 绿激光能够大大提高打印速度和分辨率 8 激光条码扫描器 激光条码扫描器已广泛用于商品的销售以及图书和档案的管理 半导体激光器的应用 在医疗和生命科学研究方面应用 1 激光手术治疗 半导体激光已经用于软组织切除 组织接合 凝固和气化 普通外科 整形外科 皮肤科 泌尿科 妇产科等 2 激光动力学治疗 将对肿瘤有亲合性的光敏物质有选择的聚集于癌组织内 通过半导体激光照射使癌组织产生活性氧 旨在使其坏死而对健康组织毫无损害 3 生命科学研究 使用半导体激光的 光镊 可以捕捉活细胞或染色体并移至任意位置 已经用于促进细胞合成 细胞相互作用等研究 固体激光器基本原理及基本结构 在固体激光器中 由泵浦系统辐射的光能 经过聚焦腔 使在固体工作物质 即在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子 中的激活粒子能够有效的吸收光能 让工作物质中形成粒子数反转 通过谐振腔 从而输出激光 如图所示 固体激光器的基本结构 有部分结构没有画出 固体激光器主要由工作物质 泵浦系统 聚光系统 光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成 固体激光器基本原理及基本结构 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 工作物质有两条主要作用 一是产生光 二是作为介质传播光束 固体激光器的分类 工作物质和输出波长 1 可调谐近红外固体激光器1988年 Petricev等发现4价铬 Cr可掺合到4配价的Mg2SiO4四方晶格中 Cr Mg2SiO4称之为镁橄榄石 镁橄榄石通常被Nd YAG激光器泵浦 并且可调谐在1 1301 367nm之间 以锁模方式输出几瓦的功率 Cr YAG也是不主动Q开关含钕激光器的良好介质 Cr LiSAF1988年由Livemor实验室研制成功 主要用于超短脉冲的发生和放大 具有从780nm990nm可调谐的优点 并有较好的热力学性质 为材料处理 组织消融 化学和生物过程的快速研究提供了重要的手段 Cr LiSAF也可通过腔内倍频蓝光输出和Q开关用于遥感水蒸汽的检测 2 可调谐紫外Ce3 激光器Ce LiSAF由于其特有性质 基本的激光物理性质类似于染料激光器 可被侧面泵浦和端面泵浦 波长在280 320nm之间 可调谐平均功率 100mW 3 可调谐中红外Cr2 激光器室温条件下 可调谐中红外固体激光器的发射 由于工作波长较长和频带较宽 导致了非辐射延迟的增加 将泵浦光转变为热 而不是激光辐射 Cr2 ZnSe激光器首先获得了室温下的可调谐中红外激光发射 并未受到非辐射延迟的晦气影响 这种材料的吸收和发射光谱显示可用1800nm二极管泵浦提供2 2003 000nm之间的可调谐发射波长 4 镱 Yb 激光器由于Yb YAG晶体具有非常低的热载荷 大约是Nd YAG晶体的1 3 用943nmInGaA二极管端面泵浦就可得到大于150W功率 另外掺镱的氟磷Sr5PO43FYb S FAP用900nm激光二极管泵浦可以产生1 047nm激光 输出功率50W 5 掺钛蓝宝石激光器掺钛蓝宝石激光器是以TiAl2O3晶体为激光介质的激光器 简称Ti S激光器 具有调谐范围宽 输出功率大 转换效率高 运转方式多样等特点 固体激光器的应用 固体激光器在军事 加工 医疗和科学研究领域有广泛的用途 它常用于测距 跟踪 制导 打孔 切割和焊接 半导体材料退火 电子器件微加工 大气检测 光谱研究 外科和眼科手术 等离子体诊断 脉冲全息照相以及激光核聚变等方面 固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源 固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化 包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质 提高激光器的转换效率 增大输出功率 改善光束质量 压缩脉冲宽度 提高可靠性和延长工作寿命等 半导体激光器与固体激光器的比较 半导体激光器和固体激光器都是以固体激光材料作为工作物质的激光器 半导体激光器是电激励 直接把电能转化为光能 转换效率高达50 以上 固体激光器是光激励 激活粒子需要吸收光能 然后产生受激振荡 半导体泵浦转化效率一般在15 左右 灯泵浦激励一般在4 左右 半导体激光器的主要特点是 体积小 重量轻 功率转换效率高 可以通过改变温度 掺杂量 磁场 压力等实现调谐 其缺点是激光的发散角较大 单色性较差 输出功率亦较小 现在新型的半导体激光器已经可以达到较大的输出功率 而为了得到更大的输出功率 通常可以将许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵 即在同一片已做好的P一N结的基片上 用光刻腐蚀方法分成好几个单个器件 或将许多单个激光器排列成一定形状 然后将它们并联或串联起来 目前已有100WQCW线阵和s000WQCW叠阵 波长780 815五m 的产品上市 固体激光器可作大能量和高功率相干光源 红宝石脉冲固体激光器的输出能量可达千焦耳级 经调Q