大功率半导体激光器及其应用.ppt

大功率半导体激光器及其应用，概述，1，激光2，半导体激光器3，大功率半导体激光器研究进展4，半导体激光器的典型应用5，半导体激光市场和发展前景，1，激光，激光技术，计算机技术，核能技术，生物技术和20世纪最重要的四大发现。是人类探索自然和改造自然的有力工具。与电子电力技术、自动测控技术完美结合，使激光技术为人类创造更好的生活。1，激光概念，激光(lightamplifationbystimulationofradiation，LASER)一词是刺激辐射光放大。1960年，美国物理学家梅曼在实验室制造了第一个红宝石激光。我国自1961年开发第一台激光(长春光光系统研究所，长春光学研究所)以来，激光技术迅速发展，在科学技术领域发生了巨大的变化。查尔斯汤斯，阿瑟尔。根据Schawlow，mamen，原子和能量，量子力学理论，原子所具有的能量可以用不同的离散性数值表示为电子的动能和势能的总和。原子能量的任何变化(吸收或辐射)只能在一定的两种状态之间进行。原子的这种能量变化过程称为转移。吸收、自发辐射和诱导辐射三种类型的转移。光子的吸收，原子从一个基态E1开始，如果不存在任何外部影响，则保持状态。如果有外部光子，则能量为HV，并与原子相互作用。Hv=E2-E1，其中E2是原子的高能状态-这里的状态。原子可以吸收这些光子，并将其释放到高能状态。这个过程称为吸收。仅当外部光子的能量HV与原子的特定水平差完全相同时，光子才会被吸收。E1、E3、E2、HV、E1、E3、E2、自发发射、高能状态的原子不稳定。停留在这里的时间很短(10-8s左右)，自动返回基态，发射光子。这种从这里状态自动转移到低能量状态的过程称为自发辐射。自发辐射的特性，这个过程与外部作用无关。每个原子的辐射都是独立进行的。因此，发光者的频率、肖像、偏振状态和传播方向都不同。其他光波列并不重要。例如，霓虹灯管充满了低压力的惰性气体，在管的两端添加高电压以刺激气体原子，然后从这里的状态转移回到基态，就会发出多彩的光。感应辐射，在此状态下的原子受到某种外来者的作用，如果外来者的能量正确满足hv=E2-E1，那么原子有可能从这里的状态E2转移到低能E1，同时，发出与外来光子完全相同状态下的光子。这个过程称为刺激辐射，2，激光生成的必要条件，粒子数反转。选择具有适当能级结构的工作材料，在工作材料中形成粒子数反转，为产生刺激辐射创造条件；光学谐振腔：选择结构适当的光学谐振腔。选择生成的感应辐射光束的方向、频率等，以生成非常高的激光束，例如单向、单色、强度等。特定阈值条件：外部工作环境必须满足特定阈值条件以促进激光生成。3，激光特性，好方向：激光沿着将能量集中在传播方向的直线传播。发散角度较小，一般为10-5 10-8球。单色强度：从普通光源(如钠灯、汞灯、氪灯等)中获得的单色光的光谱宽度约为10-2纳米，而he-ne激光发射的632.8纳米激光的光谱宽度只有10-9纳米。高亮度：一台普通激光的输出亮度是太阳表面亮度的10亿倍。一致性良好：钠灯、汞灯等普通光源的一致性长度只有几厘米，而激光的一致性长度可以达到几十公里，比普通光源大几个步骤。，4，激光种类根据工作物质的特性对气体激光器进行分类：氦-氖气体激光器，方向好，单色好，输出功率和波长很稳定。固体激光：通常表示Nd3 :YAG，具有能源高、峰值功率高、结构紧凑、耐用性强等优点。半导体激光器：以半导体为工作材料，常用的材料有GaAs、InP等。具有紧凑、高效、简单结构等优点的液体激光器：有机化合物液体(染料)和无机化合物液体激光器，波长调节和宽调谐范围，产生很短的超短脉冲，确保窄光谱宽度。连续脉冲类型，5，其他激光，光纤激光化学激光气动彩色激光核心激光自由电子激光单原子激光x射线激光，2，半导体激光，1962年，美国同类结GaAs半导体激光，液氮温度脉冲运行。1967年液相外延方法制作了单异质结激光器，实现了室温下的脉冲工作。1970年，美国贝尔实验室制造了双异质结半导体激光器，实现了室温连续运行。70年代以后。量子阱技术，MBE，MOCVD的新外延技术量子阱激光器(临界电流密度低，电光转换效率高，输出功率大)。应变量子阱，非晶格匹配的外延材料增长，激光波长范围扩大。1965年中国北中科院北京半导体所。激光二极管，1，半导体激光特性，转换效率：70%。小型：10 millise conds pump-gwithinahigh-temperature(130 c)environ menwithout aneycooling(fantal，2011)2008年初，美国光谱物理公司。5毫米空腔长度，充电系数83%，双面微通道散热器冷却，当前实验室最大Bar连续功率输出水平。808nm、800W/bar940nm、1010W/bar980nm、950W/bar德国的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等也继续制造千瓦级半导体激光阵列，在现有技术条件下获得1.5kW/bar阵列设备不是问题、制约、低电压大电流恒流电源的高成本问题：在工程应用中，数伏电压数百安电流的组合可能会引起很多实际问题。微通道散热器冷却寿命短的问题相变冷却、喷雾冷却和微热管技术等新的高效热技术，由于性能特性、成本和结构兼容性问题，短期内很难在Bar热领域实际使用。不只是一味追求提高Bar的输出，逐渐把发展的重点集中在开发高功率、高光束质量的半导体激光器和短阵列设备上。5，单元设备开发状态，半导体激光单元设备具有单独的电、热工作环境，通过防止发光单元之间的热串扰，在寿命、光束质量方面具有明显的优势。低驱动电流：降低驱动电源要求散热相对较低：传导散热器冷却，提高可靠性。IPG、JDSU公司等90-100m宽单管设备9XXnm波段，连续输出20-25 w/emitter；8XXnm频带，连续输出12W/emitter。寿命超过10万小时。6，短阵列设备的开发现状，短阵列设备(mini-Bar)是通过在同一芯片基板上组合多个设备设备而获得的，实际上已针对Bar和设备之间的结构折衷进行了优化。2009年，德国Osram与DILAS公司合作，利用100m宽、4毫米共长980nm发光单元的5个短阵列单元(填充系数为10%)，CW功率大于80瓦，转换效率超过60%，发光单元功率为16瓦/emitter。寿命类似于单位装置。7、高亮度光纤耦合模块、半导体激光元件功率的增加和发散角的减少直接反映在光纤耦合输出半导体激光模块的尾光纤直径的减少和光纤功率的持续增加，促进了高功率半导体激光束质量的快速提高。根据内部使用的半导体激光部件类型和封装形式，可以分为以下几种具体形式的半导体激光单元设备集成光纤耦合输出半导体激光短阵列设备集成光纤耦合输出微通道散热器封装结构半导体激光阵列堆栈光纤耦合输出导电散热器封装半导体激光阵列光纤耦合输出、7.1半导体激光单元设备集成光纤耦合输出、单管半导体激光元件直接耦合光纤小尺寸、低成本、长寿命、技术成熟。8至10W/module使用多个设备、耦合光束、聚焦耦合光纤2009、美国Nlight、14个设备设备、NA=0.15、105m芯直径光纤、输出100W、耦合效率71%。7.2短阵列设备集成光纤耦合输出，使用多个短阵列设备在快速轴方向紧密排列，偏振耦合光束，聚焦耦合光纤组合。200 m年，德国DILAS公司，na=0.22，200m核心直径光纤，输出500W，耦合效率83%。多短阵列设备集成光纤耦合输出模块结构，7.3微通道热沉包半导体激光阵列堆栈光纤耦合，微通道热沉包结构半导体激光阵列堆高速、慢轴准直、空间集成，高速轴向束均匀化后光纤na=0.22，200芯径光纤单模块输出200 m高亮度，较少光学元件，较少光学元件7.5传导散热器封装半导体激光阵列光纤耦合，多传导散热器封装结构半导体激光阵列输出光束快，慢轴准直空间集成后通过直接聚焦耦合系统光纤。 德国DILAS公司，NA=0.22，200m芯径光纤，输出200W；400m核心直径光纤，输出500W，耦合效率约为80%。光学元件少、结构简单、寿命长、免维护、成本低。对于直接工业应用的高功率高光束质量半导体激光器，通过波长耦合技术和偏振耦合光束技术，输出光束质量保持不变，根据耦合光束波长的数量加倍输出功率。德国Laserline采用微通道封装BarStack集成，提供数百瓦到万瓦级高输出、高光束质量激光加工系统：1 w(bpp 33601 mmm rad)、4000 w(bpp 3360330 mmm rad)、10000w()，8，高功率高光束质量半导体激光器，4，半导体激光器的典型应用领域(1)通信和光存储(2)材料加工(4)泵光源(5)激光医疗和美容、光通信、光通信领域是半导体激光器应用的最大市场，ingum和1.55um光信息存储，红色半导体激光器，目前最大的应用是光信息访问。CD、VCD、DVD读写秃头，条形码扫描是当前最大的市场。蓝色、绿带半导体激光器、大容量信息存储池彩色显示与潜在通信。材料加工、激光熔覆对耐磨、耐蚀性高的金属零件进行表面热处理或部分熔覆具有重要用途。用于激光熔覆和表面热处理的半导体激光功率：1 6kw光束质量：100 400mm mrad光斑大小：22mm2半导体激光束熔覆和表面热处理的优点电光高效材料吸收率高使用维护成本低的光斑形状均匀分布在矩形光强度下。广泛应用于电力、石油化学、冶金、钢铁、机械等产业领域。不同包层方法的比较，材料加工、焊接领域的半导体激光应用汽车工业精密点焊热导焊管道轴向焊接。用于薄膜金属焊接的半导体激光器，焊接材料的厚度为0.12.5mm，功率为3003000W，光束质量为40 150mmm rad，光斑大小为0.41.5mm。高功率半导体激光焊接的优点热输入低、零件翘曲变形小的高速焊接、光滑美观的焊接，适合工业焊接的多种要求，将逐渐取代传统的焊接方法。泵光、半导体激光泵浦固体激光器(DPSSL)是大功率半导体激光器最常用的领域。作为泵光源，半导体激光器具有其他光源无法替代的优越性。激光医疗和美容、高功率半导体激光器在激光手术刀、光能治疗、激光针灸、脱毛和拜托等激光医疗中也有非常重要的应用。不同波长的高功率半导体激光应用，军事应用：(1)lidar(2)lidar(3)lidar(4)lidar fuze，lidar，lidar是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。非常高的角度分辨率、距离分辨率、速度分辨率、速度测量范围、获得目标的各种图像、抗干扰能力、比微波雷达小的尺寸和重量等激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，利用直接调制激光二极管技术的无扫描成像雷达具有很大的军事应用潜力。激光诱导、光束诱导：高功率半导体激光器可以用作激光束诱导导弹的直接发射光源。空间编码的激光束直接指向目标，导弹的尾部接收器接收激光束的编码信号，修改导弹的飞行轨迹，直到击中目标。可用于激光半主动诱导激光主动诱导、激光测距、直接调制脉冲半导体激光器的激光测距，目前1公里的半导体激光测距仪已商业化，测距精度达几厘米。激光引信、半导体激光器是唯一可以用来发射引信的激光，激光近炸引信准确确定爆炸点，使弹头及时爆炸，激光发射器和接收器都放在炸弹头上。5、半导体激光市场和开发、材料加工、电子产业和汽车产业等制造半导体激光的强劲性能，2012年材料加工市场需求将适度增长，眼科手术的激光仍有很强的需求，但美容设备激光销售减少，总体上升趋势。医疗、基础研究和军事激光，特别是中红外对策测距和激光雷达的适当增长。军事应用领域、主干和数据中心的光通信要求不断提高，尤其是40G-100G收发器、光纤到达和活动光缆。在硬盘上使用激光将容量增加到1-2代。通信和光存储、新波长及其应用，以及405 440nm (gan)目前的应用主要是蓝光DVD上的低功耗应用，如405nm波长。输出功率为几瓦的半导体激光器在丝网印刷中用于环氧树脂固化印刷和半导体行业的光刻掺杂镨(Pr)晶体和光纤的抽运，在630 690 nm中使用，此波段范围的低功耗产品通常基于指标和DVD中的镓-镉-铝-磷(InGaAlP)晶体的铟-镓-铝-磷(InGaAlP)结构这些波长可以泵送光学热(PDT)、铬掺杂钇铝石榴石晶体固体激光器，用于超短波脉冲、照明、全息和显示等多个领域。808 976 nm，除了主要用于固体激光材料的抽运固体激光器外