大功率半导体激光器及其应用

1、大功率半导体激光器及应用长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室马晓辉概 述一、激光二、半导体激光器三、大功率半导体激光器研究进展四、半导体激光器的典型应用五、半导体激光器市场及发展前景一、激 光 激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术，并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探索自然和改造自然的强有力工具。 与电子电力技术、自动化测控技术的完美结合，使激光技术能够更好的为人类创造美好生活。 1、激光的概念 激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，LASER）一词是受激辐射光放大。 1960年，美国物理学家梅曼

2、（Maiman）在实验室中做成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。 我国于1961年研制出第一台激光器（长春光机所，长春光机学院） 从此以后，激光技术得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。原子和能级 按量子力学理论，原子具有的能量是随原子种类不同而不等的离散性数值，可以用电子的动能和势能之和表达。 原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。 三种类型的跃迁：吸收、自发辐射和受激辐射。E1E3E2光子的吸收 一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用。

3、且hv=E2-E1，其中：E2为原子的某一较高的能量状态-激发态。则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为吸收。 只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时，光子才能被吸收。E1E3E2hvE1E3E2自发辐射 处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），会自发地返回基态去，同时放出一个光子。 这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。 hv自发辐射示意图E1E3E2自发辐射的特点 这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相

4、干的。 例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的光彩。受激辐射 激发态的原子，受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足hv=E2-E1，原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。这一过程被称为受激辐射E1E2hvE1E2hvhv受激辐射示意图2、产生激光的必要条件 粒子数反转粒子数反转：选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质中能形成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件； 光学谐振腔光学谐振腔：选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受激辐射光束的方向、频率等加以选择

5、，从而产生单向性、单色性、强度等极高的激光束； 一定的阈值条件一定的阈值条件：外部的工作环境必须满足一定的阈值条件，以促成激光的产生。3、激光的特点 方向性好方向性好：激光是沿一条直线传播，能量集中在其传播方向上。其发散角很小，一般为10-510-8球面度。 单色性强：单色性强：从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色光的谱线宽度约为10-2纳米，而氦氖激光器发射的632.8纳米激光的谱线宽度只有10-9纳米。 亮度高：亮度高：一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。 相干性好：相干性好：普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里，

6、比普通光源大几个数量级。4、激光器的种类按工作物质的性质分类气体激光器：氦一氖气体激光器，方向性好，单色性好，输出功率和波长能控制得很稳定。固体激光器：典型代表有Nd3+:YAG，能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用等优点。半导体激光器：以半导体为工作物质，常用材料有GaAs、InP等。具有小型、高效率、结构简单等优点液体激光器：有机化合物液体（染料）和无机化合物液体激光器，波长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短的超短脉冲、可获得窄的谱线宽度。l按工作方式区分连续型脉冲型5、其它激光器 光纤激光器 化学激光器 气动激光器 色心激光器 自由电子激光器 单原子激光器 X射线激光器二、半导体激光器1

7、962年，美国，同质结GaAs半导体激光器，液氮温度下脉冲工作。1967年，液相外延的方法制成单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作。1970年，美国的贝尔实验室制成了双异质结半导体激光器,实现了室温连续工作。70年代以后。量子阱技术、MBE、MOCVD新型外延技术-量子阱激光器（阈值电流密度低、电光转换效率高、输出功率大）。应变量子阱，生长非晶格匹配的外延材料，拓宽了激光器波长范围。1965年 中国 北中科院北京半导体所。激光二极管1、半导体激光器的特性 转换效率高：70%。 体积小：10 milliseconds) pumping within a high-temperature (13

8、0 C)environment without any cooling.( Fan et al., 2011)4、标准Bar条阵列发展现状伴随着高质量、低缺陷半导体材料外延生长技术及腔面钝化技术的提高，现有Bar的腔长由原来的0.61.0 mm增大到2.05.0mm，使得Bar输出功率大幅度提高。2008年初，美国光谱物理公司。5 mm腔长，填充因子为83%双面微通道热沉冷却，当前实验室最高 Bar连续功率输出水平。808 nm， 800 W/bar940 nm，1010W/bar980 nm，950 W/bar德国的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等也相续制备获得千瓦级半导体激光

9、阵列，在现有技术条件下制备获得1.5kW/bar阵列器件已不成问题。制约因素 低压大电流恒流电源的高成本问题：在工程运用中，数伏电压数百安电流的组合会产生众多实际问题 微通道热沉散热寿命短的问题 新型高效散热技术如相变冷却、喷雾冷却以及微热管技术由于其性能特点、成本以及结构兼容性问题在短期内难以真正实用于Bar散热领域。 不再一味追求提高Bar的输出功率，逐渐将发展重点转移到大功率、高光束质量的半导体激光单元器件和短阵列器件研制。5、单元器件发展现状 半导体激光单元器件具有独立的电、热工作环境，避免了发光单元之间的热串扰，使其在寿命、光束质量方面具有明显优势。 驱动电流低：降低了对驱动电源的要

10、求 发热量相对较低：传导热沉散热，提高可靠性。IPG、JDSU公司等90100 m条宽单管器件9XX nm波段，连续输出2025 W/emitter；8XX nm波段，连续输出12W/emitter。寿命大于10万小时。6、短阵列器件发展现状 短阵列器件（mini-bar）是在同一芯片衬底上集成数个单元器件而获得，它实际是 Bar与单元器件在结构上的折衷优化。 2009年，德国Osram与DILAS公司合作，利用5个100 m条宽、4 mm腔长980 nm发光单元的短阵列器件(填充因子10%)，CW功率大于80W，转换效率高于60%，发光单元功率16W/emitter。 寿命与单元器件相当。7

11、、高亮度光纤耦合模块 半导体激光器件功率的增大与发散角的降低促进了大功率半导体激光器光束质量的迅速提高，直接体现在光纤耦合输出半导体激光模块尾纤直径的减小以及出纤功率的不断增大。 根据其内部采用的半导体激光器件类型及其封装形式不同可分为以下几种具体形式半导体激光单元器件集成光纤耦合输出半导体激光短阵列器件集成光纤耦合输出微通道热沉封装结构半导体激光阵列堆光纤耦合输出传导热沉封装半导体激光阵列光纤耦合输出7.1 半导体激光单元器件集成光纤耦合输出 单管半导体激光器件直接耦合进入光纤体积小、成本低、寿命长、技术成熟。810W/module 利用多个单元器件，合束，聚焦耦合进光纤2009年，美国Nl

12、ight，14个单元器件，NA=0.15，105m芯径光纤，输出100 W，耦合效率71%。7.2 短阵列器件集成光纤耦合输出 利用多个短阵列器件，在快轴方向上紧密排列，经偏振合束，聚焦耦合进光纤。 2007年，德国DILAS公司，NA=0.22，200 m芯径光纤，输出500 W，耦合效率83%。多个短阵列器件集成光纤耦合输出模块结构7.3 微通道热沉封装半导体激光阵列堆光纤耦合 微通道热沉封装结构的半导体激光阵列堆经快、慢轴准直，空间集成，快慢轴光束均匀化，然后聚焦耦合进入光纤 NA=0.22，200m芯径光纤单模块输出400W 亮度较高，光学元件少，结构简单，但成本较高，使用维护要求高，

13、寿命较短7.5 传导热沉封装半导体激光阵列光纤耦合 多个传导热沉封装结构半导体激光阵列输出光束经快、慢轴准直后空间集成后直接通过聚焦耦合系统进入光纤。 德国DILAS公司，NA=0.22，200 m芯径光纤，输出200 W；400m芯径光纤，输出500 W，耦合效率约为80%。 光学元件少、结构简单、寿命较长、免维护、成本低等。 在直接工业应用的高功率高光束质量半导体激光器方面，通过波长合束技术与偏振合束技术，在输出光束质量不变的情况下，根据合束波长的个数而倍增输出功率。 德国的Laserline公司技术较为领先，采用微通道封装Bar Stack集成获得从数百瓦至万瓦级高功率、高光束质量激光加

14、工系统: 2000 W (BPP:20 mmmrad)， 4000 W(BPP:30 mmmrad)， 10000 W (BPP:100 mmmrad)。8、高功率高光束质量半导体激光器四、半导体激光器的典型应用l主要应用领域 （1） 通信与光储存（2） 材料加工（4） 泵浦光源 （5） 激光医疗及美容光通信 光纤通讯领域是半导体激光器应用的最大市场 1.3um和1.55um的InGaAsP/InP半导体激光器是通讯用半导体激光器光源 0.98um和1.48um LD是掺铒光纤放大器的泵浦源，掺铒光纤放大器可用作光发射机的功率放大、线路放大、无再生中继、接收机的前置放大等。光信息存储 红光半导

15、体激光器，目前最大的应用是光信息的存取。如用于CD、VCD、DVD读写光头、条形码扫描是目前最大的市场。 蓝、绿光波段的半导体激光器，高容量信息存储全彩色显示对潜通信。材料加工 激光熔覆对耐磨性及耐腐蚀性要求较高的金属零件进行表面热处理或局部熔覆，重要应用。用于激光熔覆与表面热处理的半导体激光器功率：16kW光束质量：100400mmmrad光斑大小：22mm2用半导体激光器光束进行熔覆与表面热处理的优势电光效率高材料吸收率高使用维护费用低光斑形状为矩形光强分布均匀等。广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、机械等工业领域。不同熔覆方法的比较材料加工 半导体激光器在焊接领域的应用汽车工业精密点焊热传

16、导焊接管道的轴向焊接。用于薄片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 40150mmmrad，光斑大小为0.41.5mm，。大功率半导体激光器焊接的优点热量输入低，零件的扭曲变形小可进行高速焊接，焊缝光滑美观非常适合工业焊接的不同需要，它将逐渐取代传统的焊接方法。 泵浦光源 半导体激光器泵浦固体激光器(DPSSL)是大功率半导体激光器应用最多的领域。作为泵浦光源，半导体激光器有着其它光源不可取代的优越性。激光医疗及美容 大功率半导体激光器在激光医疗中也具有很重要的应用，如激光手术刀、光能治疗、激光针灸、脱毛和除发。不同波长大功率半导体激光器应

17、用军事应用：（1）激光雷达（2）激光制导（3）激光测距（4）激光引信激光雷达 激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。 具有极高的角分辨率、距离分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等 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极大地军事应用前景。激光制导 驾束制导：大功率半导体激光器可作为发射光源直接用于激光驾束制导导弹。经空间编码的激光光束直接指向目标，导弹的弹尾接收器接收激光束中的编码信号修正导弹的飞行轨迹直至击中目标。 激光半主动制导 激光主动制导 激光测距 采

18、用直接调制的脉冲半导体激光器可用于激光测距，目前测距1公里的半导体激光测距机已经商品化，测距精度达几厘米。 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。 五、半导体激光器市场及发展材料加工 用于电子行业和汽车工业等制造业的半导体激光器表现强劲，2012年的材料加工市场需求将会适度增长 用于眼科和外科手术的激光器仍需求强劲，但美容设备激光器销量会衰退，总体呈上升趋势。医疗 用于基础研究和军事方面的激光器仍然有适度增长，尤其在中红外对抗测距及激光雷达方面。军事应用 主干网和数据中心的光通信需求继续增大，

19、尤其是40G到100G收发器、光纤到户和主动光缆。 在硬盘上使用激光器将容量提升一至两代。通信与光储存新波长及其应用 405 440nm（GaN） 目前其应用主要是低功率应用，如405nm波长在蓝光DVD中的应用。 输出功率几瓦的半导体激光器可用于以下领域：丝网印刷中的环氧树脂固化印刷与半导体行业中的光刻掺镨（Pr）晶体和光纤的泵浦l 630 690nm 该波段范围内的低功率产品通常用于指示器和DVD 基于砷化镓（GaAs）晶体上的铟镓铝磷（InGaAlP）结构的半导体激光器巴条，能够实现高功率半导体激光器，其在630nm 的输出功率可达几瓦，在680nm 的输出功率最高约达20W 。 这些波长可用于光动力治疗（PDT）、泵浦掺铬钇铝石榴石晶体固体激光器以产生超短脉冲、照明、全息以及显示等诸多领域。808 976nm 主要用于固体激光器材料的泵浦 除了泵浦固体激光器外，半