大功率半導體激光器及其應用

1、大功率半導體激光器及應用長春理工大學高功率半導體激光國家重點實驗室馬曉輝概 述一、激光二、半導體激光器三、大功率半導體激光器研究進展四、半導體激光器的典型應用五、半導體激光器市場及發(fā)展前景一、激 光 激光技術、計算機技術、原子能技術、生物技術，并列為二十世紀最重要的四大發(fā)現(xiàn)。是人類探索自然和改造自然的強有力工具。 與電子電力技術、自動化測控技術的完美結(jié)合，使激光技術能夠更好的為人類創(chuàng)造美好生活。 1、激光的概念 激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，LASER）一詞是受激輻射光放大。 1960年，美國物理學家梅曼

2、（Maiman）在實驗室中做成了第一臺紅寶石(Al2O3:Cr)激光器。 我國于1961年研制出第一臺激光器（長春光機所，長春光機學院） 從此以后，激光技術得到了迅速發(fā)展，引起了科學技術領域的巨大變化。原子和能級 按量子力學理論，原子具有的能量是隨原子種類不同而不等的離散性數(shù)值，可以用電子的動能和勢能之和表達。 原子能量的任何變化（吸收或輻射）都只能在某兩個定態(tài)之間進行。原子的這種能量的變化過程稱之為躍遷。 三種類型的躍遷：吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。E1E3E2光子的吸收 一個原子開始時處于基態(tài)E1，若不存在任何外來影響，它將保持狀態(tài)不變。如果有一個外來光子，能量為hv，與該原子發(fā)生相互作用。

3、且hv=E2-E1，其中：E2為原子的某一較高的能量狀態(tài)-激發(fā)態(tài)。則原子就有可能吸收這一光子，而被激發(fā)到高能態(tài)去。這一過程被稱之為吸收。 只有外來光子的能量hv恰好等于原子的某兩能級之差時，光子才能被吸收。E1E3E2hvE1E3E2自發(fā)輻射 處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的。它們在激發(fā)態(tài)停留的時間非常短（數(shù)量級約為10-8s），會自發(fā)地返回基態(tài)去，同時放出一個光子。 這種自發(fā)地從激發(fā)態(tài)躍遷至較低的能態(tài)而放出光子的過程，叫做自發(fā)輻射。 hv自發(fā)輻射示意圖E1E3E2自發(fā)輻射的特點 這種過程與外界作用無關。各原子的輻射都是獨立地進行。因而所發(fā)光子的頻率、初相、偏振態(tài)、傳播方向等都不同。不同光波列是不相

4、干的。 例如霓虹燈管內(nèi)充有低壓惰性氣體，在管兩端加上高電壓來激發(fā)氣體原子，當它們從激發(fā)態(tài)躍遷返回基態(tài)時，便放出五顏六色的光彩。受激輻射 激發(fā)態(tài)的原子，受到某一外來光子的作用，而且外來光子的能量恰好滿足hv=E2-E1，原子就有可能從激發(fā)態(tài)E2躍遷至低能態(tài)E1，同時放出一個與外來光子具有完全相同狀態(tài)的光子。這一過程被稱為受激輻射E1E2hvE1E2hvhv受激輻射示意圖2、產(chǎn)生激光的必要條件 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：選擇具有適當能級結(jié)構的工作物質(zhì)，在工作物質(zhì)中能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為受激輻射的發(fā)生創(chuàng)造條件； 光學諧振腔光學諧振腔：選擇一個適當結(jié)構的光學諧振腔。對所產(chǎn)生受激輻射光束的方向、頻率等加以選擇

5、，從而產(chǎn)生單向性、單色性、強度等極高的激光束； 一定的閾值條件一定的閾值條件：外部的工作環(huán)境必須滿足一定的閾值條件，以促成激光的產(chǎn)生。3、激光的特點 方向性好方向性好：激光是沿一條直線傳播，能量集中在其傳播方向上。其發(fā)散角很小，一般為10-510-8球面度。 單色性強：單色性強：從普通光源（如鈉燈、汞燈、氪燈等）得到的單色光的譜線寬度約為10-2納米，而氦氖激光器發(fā)射的632.8納米激光的譜線寬度只有10-9納米。 亮度高：亮度高：一臺普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大10億倍。 相干性好：相干性好：普通光源（如鈉燈、汞燈等）其相干長度只有幾個厘米，而激光的相干長度則可以達到幾十公里，

6、比普通光源大幾個數(shù)量級。4、激光器的種類按工作物質(zhì)的性質(zhì)分類氣體激光器：氦一氖氣體激光器，方向性好，單色性好，輸出功率和波長能控制得很穩(wěn)定。固體激光器：典型代表有Nd3+:YAG，能量大、峰值功率高、結(jié)構緊湊、牢固耐用等優(yōu)點。半導體激光器：以半導體為工作物質(zhì)，常用材料有GaAs、InP等。具有小型、高效率、結(jié)構簡單等優(yōu)點液體激光器：有機化合物液體（染料）和無機化合物液體激光器，波長可調(diào)諧且調(diào)諧范圍寬廣、可產(chǎn)生極短的超短脈沖、可獲得窄的譜線寬度。l按工作方式區(qū)分連續(xù)型脈沖型5、其它激光器 光纖激光器 化學激光器 氣動激光器 色心激光器 自由電子激光器 單原子激光器 X射線激光器二、半導體激光器1

7、962年，美國，同質(zhì)結(jié)GaAs半導體激光器，液氮溫度下脈沖工作。1967年，液相外延的方法制成單異質(zhì)結(jié)激光器，實現(xiàn)了在室溫下脈沖工作。1970年，美國的貝爾實驗室制成了雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器,實現(xiàn)了室溫連續(xù)工作。70年代以后。量子阱技術、MBE、MOCVD新型外延技術-量子阱激光器（閾值電流密度低、電光轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率大）。應變量子阱，生長非晶格匹配的外延材料，拓寬了激光器波長范圍。1965年 中國 北中科院北京半導體所。激光二極管1、半導體激光器的特性 轉(zhuǎn)換效率高：70%。 體積小：10 milliseconds) pumping within a high-temperature (13

8、0 C)environment without any cooling.( Fan et al., 2011)4、標準Bar條陣列發(fā)展現(xiàn)狀伴隨著高質(zhì)量、低缺陷半導體材料外延生長技術及腔面鈍化技術的提高，現(xiàn)有Bar的腔長由原來的0.61.0 mm增大到2.05.0mm，使得Bar輸出功率大幅度提高。2008年初，美國光譜物理公司。5 mm腔長，填充因子為83%雙面微通道熱沉冷卻，當前實驗室最高 Bar連續(xù)功率輸出水平。808 nm， 800 W/bar940 nm，1010W/bar980 nm，950 W/bar德國的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等也相續(xù)制備獲得千瓦級半導體激光

9、陣列，在現(xiàn)有技術條件下制備獲得1.5kW/bar陣列器件已不成問題。制約因素 低壓大電流恒流電源的高成本問題：在工程運用中，數(shù)伏電壓數(shù)百安電流的組合會產(chǎn)生眾多實際問題 微通道熱沉散熱壽命短的問題 新型高效散熱技術如相變冷卻、噴霧冷卻以及微熱管技術由于其性能特點、成本以及結(jié)構兼容性問題在短期內(nèi)難以真正實用于Bar散熱領域。 不再一味追求提高Bar的輸出功率，逐漸將發(fā)展重點轉(zhuǎn)移到大功率、高光束質(zhì)量的半導體激光單元器件和短陣列器件研制。5、單元器件發(fā)展現(xiàn)狀 半導體激光單元器件具有獨立的電、熱工作環(huán)境，避免了發(fā)光單元之間的熱串擾，使其在壽命、光束質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)勢。 驅(qū)動電流低：降低了對驅(qū)動電源的要

10、求 發(fā)熱量相對較低：傳導熱沉散熱，提高可靠性。IPG、JDSU公司等90100 m條寬單管器件9XX nm波段，連續(xù)輸出2025 W/emitter；8XX nm波段，連續(xù)輸出12W/emitter。壽命大于10萬小時。6、短陣列器件發(fā)展現(xiàn)狀 短陣列器件（mini-bar）是在同一芯片襯底上集成數(shù)個單元器件而獲得，它實際是 Bar與單元器件在結(jié)構上的折衷優(yōu)化。 2009年，德國Osram與DILAS公司合作，利用5個100 m條寬、4 mm腔長980 nm發(fā)光單元的短陣列器件(填充因子10%)，CW功率大于80W，轉(zhuǎn)換效率高于60%，發(fā)光單元功率16W/emitter。 壽命與單元器件相當。7

11、、高亮度光纖耦合模塊 半導體激光器件功率的增大與發(fā)散角的降低促進了大功率半導體激光器光束質(zhì)量的迅速提高，直接體現(xiàn)在光纖耦合輸出半導體激光模塊尾纖直徑的減小以及出纖功率的不斷增大。 根據(jù)其內(nèi)部采用的半導體激光器件類型及其封裝形式不同可分為以下幾種具體形式半導體激光單元器件集成光纖耦合輸出半導體激光短陣列器件集成光纖耦合輸出微通道熱沉封裝結(jié)構半導體激光陣列堆光纖耦合輸出傳導熱沉封裝半導體激光陣列光纖耦合輸出7.1 半導體激光單元器件集成光纖耦合輸出 單管半導體激光器件直接耦合進入光纖體積小、成本低、壽命長、技術成熟。810W/module 利用多個單元器件，合束，聚焦耦合進光纖2009年，美國Nl

12、ight，14個單元器件，NA=0.15，105m芯徑光纖，輸出100 W，耦合效率71%。7.2 短陣列器件集成光纖耦合輸出 利用多個短陣列器件，在快軸方向上緊密排列，經(jīng)偏振合束，聚焦耦合進光纖。 2007年，德國DILAS公司，NA=0.22，200 m芯徑光纖，輸出500 W，耦合效率83%。多個短陣列器件集成光纖耦合輸出模塊結(jié)構7.3 微通道熱沉封裝半導體激光陣列堆光纖耦合 微通道熱沉封裝結(jié)構的半導體激光陣列堆經(jīng)快、慢軸準直，空間集成，快慢軸光束均勻化，然后聚焦耦合進入光纖 NA=0.22，200m芯徑光纖單模塊輸出400W 亮度較高，光學元件少，結(jié)構簡單，但成本較高，使用維護要求高，

13、壽命較短7.5 傳導熱沉封裝半導體激光陣列光纖耦合 多個傳導熱沉封裝結(jié)構半導體激光陣列輸出光束經(jīng)快、慢軸準直后空間集成后直接通過聚焦耦合系統(tǒng)進入光纖。 德國DILAS公司，NA=0.22，200 m芯徑光纖，輸出200 W；400m芯徑光纖，輸出500 W，耦合效率約為80%。 光學元件少、結(jié)構簡單、壽命較長、免維護、成本低等。 在直接工業(yè)應用的高功率高光束質(zhì)量半導體激光器方面，通過波長合束技術與偏振合束技術，在輸出光束質(zhì)量不變的情況下，根據(jù)合束波長的個數(shù)而倍增輸出功率。 德國的Laserline公司技術較為領先，采用微通道封裝Bar Stack集成獲得從數(shù)百瓦至萬瓦級高功率、高光束質(zhì)量激光加

14、工系統(tǒng): 2000 W (BPP:20 mmmrad)， 4000 W(BPP:30 mmmrad)， 10000 W (BPP:100 mmmrad)。8、高功率高光束質(zhì)量半導體激光器四、半導體激光器的典型應用l主要應用領域 （1） 通信與光儲存（2） 材料加工（4） 泵浦光源 （5） 激光醫(yī)療及美容光通信 光纖通訊領域是半導體激光器應用的最大市場 1.3um和1.55um的InGaAsP/InP半導體激光器是通訊用半導體激光器光源 0.98um和1.48um LD是摻鉺光纖放大器的泵浦源，摻鉺光纖放大器可用作光發(fā)射機的功率放大、線路放大、無再生中繼、接收機的前置放大等。光信息存儲 紅光半導

15、體激光器，目前最大的應用是光信息的存取。如用于CD、VCD、DVD讀寫光頭、條形碼掃描是目前最大的市場。 藍、綠光波段的半導體激光器，高容量信息存儲全彩色顯示對潛通信。材料加工 激光熔覆對耐磨性及耐腐蝕性要求較高的金屬零件進行表面熱處理或局部熔覆，重要應用。用于激光熔覆與表面熱處理的半導體激光器功率：16kW光束質(zhì)量：100400mmmrad光斑大?。?2mm2用半導體激光器光束進行熔覆與表面熱處理的優(yōu)勢電光效率高材料吸收率高使用維護費用低光斑形狀為矩形光強分布均勻等。廣泛應用于電力、石化、冶金、鋼鐵、機械等工業(yè)領域。不同熔覆方法的比較材料加工 半導體激光器在焊接領域的應用汽車工業(yè)精密點焊熱傳

16、導焊接管道的軸向焊接。用于薄片金屬焊接的半導體激光器，焊接材料的厚度為0.12.5mm功率為3003000W，光束質(zhì)量為 40150mmmrad，光斑大小為0.41.5mm，。大功率半導體激光器焊接的優(yōu)點熱量輸入低，零件的扭曲變形小可進行高速焊接，焊縫光滑美觀非常適合工業(yè)焊接的不同需要，它將逐漸取代傳統(tǒng)的焊接方法。 泵浦光源 半導體激光器泵浦固體激光器(DPSSL)是大功率半導體激光器應用最多的領域。作為泵浦光源，半導體激光器有著其它光源不可取代的優(yōu)越性。激光醫(yī)療及美容 大功率半導體激光器在激光醫(yī)療中也具有很重要的應用，如激光手術刀、光能治療、激光針灸、脫毛和除發(fā)。不同波長大功率半導體激光器應

17、用軍事應用：（1）激光雷達（2）激光制導（3）激光測距（4）激光引信激光雷達 激光雷達是傳統(tǒng)雷達技術與現(xiàn)代激光技術相結(jié)合的產(chǎn)物。 具有極高的角分辨率、距離分辨率、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標的多種圖像、抗干擾能力強、比微波雷達的體積和重量小等 激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術 利用直接調(diào)制激光二極管技術的無掃描成像雷達具有極大地軍事應用前景。激光制導 駕束制導：大功率半導體激光器可作為發(fā)射光源直接用于激光駕束制導導彈。經(jīng)空間編碼的激光光束直接指向目標，導彈的彈尾接收器接收激光束中的編碼信號修正導彈的飛行軌跡直至擊中目標。 激光半主動制導 激光主動制導 激光測距 采

18、用直接調(diào)制的脈沖半導體激光器可用于激光測距，目前測距1公里的半導體激光測距機已經(jīng)商品化，測距精度達幾厘米。 激光引信 半導體激光器是唯一能用于彈上引信的激光器，激光近炸引信可以準確地確定起爆點，使彈頭適時起爆，激光發(fā)射裝置與接收裝置均置于彈的頭部。 五、半導體激光器市場及發(fā)展材料加工 用于電子行業(yè)和汽車工業(yè)等制造業(yè)的半導體激光器表現(xiàn)強勁，2012年的材料加工市場需求將會適度增長 用于眼科和外科手術的激光器仍需求強勁，但美容設備激光器銷量會衰退，總體呈上升趨勢。醫(yī)療 用于基礎研究和軍事方面的激光器仍然有適度增長，尤其在中紅外對抗測距及激光雷達方面。軍事應用 主干網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心的光通信需求繼續(xù)增大，

19、尤其是40G到100G收發(fā)器、光纖到戶和主動光纜。 在硬盤上使用激光器將容量提升一至兩代。通信與光儲存新波長及其應用 405 440nm（GaN） 目前其應用主要是低功率應用，如405nm波長在藍光DVD中的應用。 輸出功率幾瓦的半導體激光器可用于以下領域：絲網(wǎng)印刷中的環(huán)氧樹脂固化印刷與半導體行業(yè)中的光刻摻鐠（Pr）晶體和光纖的泵浦l 630 690nm 該波段范圍內(nèi)的低功率產(chǎn)品通常用于指示器和DVD 基于砷化鎵（GaAs）晶體上的銦鎵鋁磷（InGaAlP）結(jié)構的半導體激光器巴條，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率半導體激光器，其在630nm 的輸出功率可達幾瓦，在680nm 的輸出功率最高約達20W 。 這些波長可用于光動力治療（PDT）、泵浦摻鉻釔鋁石榴石晶體固體激光器以產(chǎn)生超短脈沖、照明、全息以及顯示等諸多領域。808 976nm 主要用于固體激光器材料的泵浦 除了泵浦固體激光器外，半