半导体激光器期中报告

1、半导体激光器的应用 张小兴20164208079u半导体激光器的发展u半导体激光器的特性u半导体激光器的分类u半导体激光器的典型应用u半导体激光器市场及发展u新波长及其应用u总结目录半导体激光器的发展1962年：第一台半导体激光器是同质结的，即和普通的p-n结极管一样。这种 同质结激光器有源区的厚度为电 子扩散长度量级(微米量级)，阈值电 流密度需达到105A /cm2，因此只能在液氮温度(77 K)和脉冲状态下工作。1967年：出现的单异质结半导体激光器由两种不同带隙的半导体材料薄层所组成， 利用高带隙势垒的阻挡作用，使阈值电流密度降低了一个数量级，并实 现了在室温下脉冲工作。半导体激光器的

2、发展1970年: 双异质结激光器出现。双异质结激光器是将窄带隙并具有高折射率的 半导体材料夹在两个宽带隙并具有低折射率的半导体材料之间，因而 可以利用带隙势垒和光波导将载流子和光子有效地限制在有源区内。 从而使阈值电密度又降低了一个数量级，并实现了室温下连续工作。 1978年：出现的量子阱激光器是把窄带隙超薄层夹在两个宽带隙势垒薄层之间， 由于有源层的厚度被减少到同电子德布罗意波长(约为10 nm)差不多， 即量子化尺寸。半导体激光器的特性转换效率高：70%。体积小：对耐磨性及耐腐蚀性要求较高的金属零件进行表而热处理或 局部熔覆用半导休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

3、高 使用维护费用低 光斑形状为矩形 光强分布均匀等材料加工激光熔覆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：100400mm/mrad光斑大小：22mm2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激光溶暴与 热处理设备直接半导 体激光器轴流co2激光器灯泵YAG激光器半导体泵 YAG激光器总体转换效率()35616每小时费用($)1.510.030.06.0波长(m)0.810.61.061.06钢的吸收率()40123535铝的吸收率()13277功率密度（W/cm2）103-106103 - 338103-107103-107冷却系统制冷量（K

4、w）85010060雏护间隔时间（h）10，00020-30，0001，00010，0002kW激光功枵（kW）83320033 ps：YAG钇铝石榴石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 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半导体激

5、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。泵浦光源1、低功耗：传统的灯泵浦激光器的转换效率大约只有3%左右，泵浦灯的发出的能量大部分转换成了热能，造成了极大的能源浪费。而半导体泵浦固体激光器所用的二极管发出固定的，被激光晶体吸收的808nm波长的激光，光光转换效率可高达40%以上，大大减少了运行成本。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。泵浦光源2、性能可靠、寿命长：激光二极管的寿命大大长于闪光灯，达15000小

6、时以上，闪光灯的寿命只有3001000小时。激光半导体的泵浦能量稳定性好，比闪光灯泵浦优一个能量级，性能可靠，可制成全固化器件。运行寿命长，成为至今为止唯一无需维护的激光器，尤其适用于大规模生产线。3、输出光束质量好：由于半导体泵浦激光的高转换效率，减少了激光工作物质的热透镜效应，大大改善了激光器的输出光束质量，激光光束质量已接近理论极限。激光光谱学中的应用1、半导体激光器在激光光谱学中的优势具有可调谐性：这是用于激光光谱学的半导体激光器的一个重要的特性，其波长可通过改变温度或改变驱动电流来调谐。具有高灵敏度：如对于某种气体只要选择合适的光谱波段就可测出低于10-9的浓度。具有高选择性：半导体

7、激光器的谱线宽度可限制在多普勒宽度范围内,从而可以减少谱线重叠，增加选择性。波长易于调制：半导体激光器可用调制技术能够减少激光的过量噪声。光谱纯度高。通常半导体激光器在测定谱区重复扫描，所记录的吸收光谱是特定时间间隔内的平均结果，因而信噪比大为提高。激光光谱学中的应用1、半导体激光器在激光光谱学中的优势如图即为“SPECD ILAS V-763-OXY”VCSEL（垂直腔面发射激光器）所探测的O2吸收光谱（半导体激光器的工作温度Top=10，Iset=4. 6 mA,加32 Hz，10.6 mV的锯齿波, 256次平均）。可以看出，通过改变工作电流很容易地得到O2的两个吸收峰，无模式跳跃。用7

8、60 nmVCSEL激光器测得O2的吸收峰激光光谱学中的应用2、半导体激光器在实际中的具体应用p UlfGustfsson应用半导体激光吸收光谱技术采用直接吸收测量技术同时监测了燃烧器中CH4，H2O及O2。该实验是运用基于两个近红外半导体激光器的差频体系实现的。pKai-Uwe Ple-ban利用基于760 nmVCSEL激光器的GM700-1C传感器快速地测量了汽车排气口气体流体中的O2浓度。激光光谱学中的应用2、半导体激光器在实际中的具体应用p A.ROCCO等人利用在1. 997m激射的单模DFB半导体激光器光谱仪分别在Naple附近的Solfatara火山和意大利Eolian arc

9、hipelago的Vulcano Island监测了火山气体中的H2O和CO2。所测得的H2O和CO2浓度的不精确度为1%到3%。p PhilipA.Martin利用近红外DFB半导体激光器装置遥感监测了路面上汽车尾气中的CO和CO2气体。该装置的扫描周期为1s,在1h内可测取3600个车辆,效率极高。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。激光医疗及美容高功率半导体激光器在医疗中的主要应用波长波长/nm操作模式操作模式医疗应用医疗应用810，830，980连续连续激光手术刀激光手术刀800，810脉冲脉冲脱毛脱毛980脉冲脉冲祛皱祛皱1

10、450脉冲脉冲祛斑、祛皱祛斑、祛皱半导体激光器在医疗上的应用u眼科：眼睛是光的读出器官，不论是测定、诊断或治疗，激光都能起到重要作用用于治疗各种难治性青光眼、硅油注入术后难治性高眼压,以及视网膜的光凝和固定等。研究证实半导体激光能以较低能量穿透巩膜,被睫状体组织吸收,并在上皮和基质进行光凝,使睫状体无色素上皮坏死,而房水生成功能随之抑制或丧失,进而降低眼压。u外科：目前, 已广泛采用808nm低功率半导体激光器进行外科手术中组织融合的研究。Wolf-deJonge研究发现,半导体激光在焊接血管时其焊接点平 均破裂压力与其它常用激光相比居中,但其术后动脉瘤生成概率最低。随着激光焊接中焊料的不断发

11、展,半导体激光组织焊接牢固性也不断增强,在组织融合中的应用将越来越广泛。半导体激光器在医疗上的应用u牙科：近几年来, 在美国由以色列牙医发明的激光无损伤性牙体美白技术,获得FDA认可,激光牙体美白的方法在美国获得普及应用。美国LaserSmile公司生产的半导体diode激光牙齿美白治疗仪能有效改善色泽不良牙体的颜色,尤其对黄染牙效果显著,不失为一种安全、简便、无损伤的新方法。u外科针灸理疗科：弱激光照射可以刺激局部血液循环、促进细胞生长、调整组织机能、提高机体免疫力、缓解痛症及 促使创伤愈合等。激光针刺与传统针灸相比,具有无痛、无菌、安全、操作简便、易控制剂量等优点,兼有针和灸的双重作用,在

12、内科、外科、牙科、皮肤科、妇产科、中医科、耳鼻喉科等领域都越发引起人们的关注,正成为一种有效的临床治疗方法。不同波长大功率半导体激光器应用波长波长/nm650630-680780780-860808材料InGaAsPInGaAsPInGaAsPInGaAsPInGaAsP应用DVD技术医学应用CD技术泵浦固体激光器医学应用、泵浦固体激光器940-98094197698014551480InGaAsInGaAsInGaAsInGaAsInGaAsP或InGaAsInGaAsP或InGaAs红外光源、医学应用半导体泵 YAG激光器光纤激光器掺铒光纤放大器、光纤激光器泵浦拉曼放大器掺铒光纤放大器(1

13、) 激光雷达(2) 激光制导(3) 激光测距及夜视仪(4) 激光引信(5) 通信光源(6) 激光武器模拟(7) 激光瞄准和告警(8) 激光通信(9) 军用光纤陀螺军事应用： 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。激光雷达i激光制导l 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

14、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。l 激光主动制导l 激光半主动制导激光测距采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。美国国际激光系统公司的GRS00型激光测距机， 采用GaAs激光器，脉宽40ns，发射角5mrad，测距3230m，重量10kg。激光夜视仪半导体激光夜视仪和激光夜视监测仪也得到重要应用。利用半导体激光器列阵主动式夜视仪的光源具有隐蔽性，列阵功率高的特点，可提高监测距离至1km，如配上扫描和图像显示装置，则可成为激光夜视监测仪。用其对目标进行监测时，目标的活动情况可适时通过光缆传送到

15、指挥所。选择较长的合适波长，可成为全天候监测仪。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。激光引信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。激光对潜通信光源蓝绿光是海水的通信窗口(460540nm)，穿透深度约300英尺， 潜艇可用蓝绿光和卫星或航空母舰进行通信联络。倍频半导体高功率激光器列阵(波长在9201080nm)就是一种这样的光源。半导体激光通信光源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和演习技术。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。武器模拟主要使用9

16、04nm半导体激光器， 用对眼睛安全的激光器作为战术训练系统的基础，最初称为激光交战系统(LES) 。半导体激光武器模拟瞄准具有两类：一类以发射红外激光的GaAs激光器为基础，士兵需佩戴夜视镜才能看清目标上的激光光斑，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20世纪80年代推出的FA-4型激光瞄准具的重量仅99g，长11.4cm。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得到拓展，角分辨率也不断得到提高。新研制的双波段型激光告警系统覆盖的波段范围为0.451.65m，这种设备已在“豹”型坦克上得到了验证。

17、半导体激光瞄准和告警半导体激光器在卫星通信技术中只需要较小的望远镜和较低的发射功率，就能实现光的自由空间传输并获得极高的数据率传输。激光通信技术可用于轨道卫星间的相互通信及卫星与地面站的通信。其中，通信信号用的是波长为808nm的GaAlAs激光二极管，输出功率为60mW，包括42000km的远距离传输。欧洲航天局已于2001年6月用Ariane5号运载火箭发射Artemis卫星，与法国空间局合作进行半导体激光互连卫星通信实验。半导体激光通信军用光纤陀螺是军用光纤领域中用途最广，是目标监测和测量方面不可缺少的技术手段。由光纤绕成环形光路，采用Sagnac干涉原理，检测出随转动产生的两路激光束的

18、相位差， 由此得出转动的角速度。其主要优点是: 无运动部件，仪器牢固，耐冲击，抗加速运动；机构简单，价格低廉；启动时间极短(原理上可瞬时启动)；灵敏度高，可达10-7rad/s；动态范围极宽(约为2000度/秒)；寿命长等。在军用民用光纤通信、光纤制导导弹、制导鱼类等方面广泛应用。军用光纤陀螺半导体激光器市场及发展全球商用激光器总收入总额非二极管激光器二极管激光器 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。材料加工 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。医疗军事应用 用于基础研究和军事方面的激光

19、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。 主干网和数据中心的光通信需求继续增大，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u405 440nmu 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。u 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)晶体和光纤的泵浦新波长及其应用u630 690nmu 该波段范围内的低功率产品通常用于指示器和DVD u 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。u 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。新波长及其应用u808 976nmu 主要用于固体激光器材料的泵浦u 除了泵浦固体激