大功率半導(dǎo)體激光器及其應(yīng)用

1、大功率半導(dǎo)體激光器及應(yīng)用長(zhǎng)春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬曉輝概 述一、激光二、半導(dǎo)體激光器三、大功率半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展四、半導(dǎo)體激光器的典型應(yīng)用五、半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)及發(fā)展前景一、激 光 激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、原子能技術(shù)、生物技術(shù)，并列為二十世紀(jì)最重要的四大發(fā)現(xiàn)。是人類探索自然和改造自然的強(qiáng)有力工具。 與電子電力技術(shù)、自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)的完美結(jié)合，使激光技術(shù)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(guó)物理學(xué)家梅曼

2、（Maiman）在實(shí)驗(yàn)室中做成了第一臺(tái)紅寶石(Al2O3:Cr)激光器。 我國(guó)于1961年研制出第一臺(tái)激光器（長(zhǎng)春光機(jī)所，長(zhǎng)春光機(jī)學(xué)院） 從此以后，激光技術(shù)得到了迅速發(fā)展，引起了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的巨大變化。原子和能級(jí) 按量子力學(xué)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(dòng)能和勢(shì)能之和表達(dá)。 原子能量的任何變化（吸收或輻射）都只能在某兩個(gè)定態(tài)之間進(jìn)行。原子的這種能量的變化過(guò)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(gè)原子開(kāi)始時(shí)處于基態(tài)E1，若不存在任何外來(lái)影響，它將保持狀態(tài)不變。如果有一個(gè)外來(lái)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(guò)程被稱之為吸收。 只有外來(lái)光子的能量hv恰好等于原子的某兩能級(jí)之差時(shí)，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?cè)诩ぐl(fā)態(tài)停留的時(shí)間非常短（數(shù)量級(jí)約為10-8s），會(huì)自發(fā)地返回基態(tài)去，同時(shí)放出一個(gè)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(guò)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(diǎn) 這種過(guò)程與外界作用無(wú)關(guān)。各原子的輻射都是獨(dú)立地進(jìn)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(lái)激發(fā)氣體原子，當(dāng)它們從激發(fā)態(tài)躍遷返回基態(tài)時(shí)，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(lái)光子的作用，而且外來(lái)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(shí)放出一個(gè)與外來(lái)光子具有完全相同狀態(tài)的光子。這一過(guò)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(dāng)能級(jí)結(jié)構(gòu)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(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔：選擇一個(gè)適當(dāng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振腔。對(duì)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(qiáng)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(diǎn) 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(qiáng)：?jiǎn)紊詮?qiáng)：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(tái)普通的激光器的輸出亮度，比太陽(yáng)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(zhǎng)度只有幾個(gè)厘米，而激光的相干長(zhǎng)度則可以達(dá)到幾十公里，

6、比普通光源大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。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(zhǎng)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(gòu)緊湊、牢固耐用等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體激光器：以半導(dǎo)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(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)液體激光器：有機(jī)化合物液體（染料）和無(wú)機(jī)化合物液體激光器，波長(zhǎng)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(xué)激光器 氣動(dòng)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(dǎo)體激光器1

7、962年，美國(guó)，同質(zhì)結(jié)GaAs半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了在室溫下脈沖工作。1970年，美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)工作。70年代以后。量子阱技術(shù)、MBE、MOCVD新型外延技術(shù)-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(yīng)變量子阱，生長(zhǎng)非晶格匹配的外延材料，拓寬了激光器波長(zhǎng)范圍。1965年 中國(guó) 北中科院北京半導(dǎo)體所。激光二極管1、半導(dǎo)體激光器的特性 轉(zhuǎn)換效率高：70%。 體積?。?0 milliseconds) pumping within a high-temperature (13

8、0 C)environment without any cooling.( Fan et al., 2011)4、標(biāo)準(zhǔn)Bar條陣列發(fā)展現(xiàn)狀伴隨著高質(zhì)量、低缺陷半導(dǎo)體材料外延生長(zhǎng)技術(shù)及腔面鈍化技術(shù)的提高，現(xiàn)有Bar的腔長(zhǎng)由原來(lái)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(guó)光譜物理公司。5 mm腔長(zhǎng)，填充因子為83%雙面微通道熱沉冷卻，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)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(guó)的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等也相續(xù)制備獲得千瓦級(jí)半導(dǎo)體激光

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

10、求 發(fā)熱量相對(duì)較低：傳導(dǎo)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(wàn)小時(shí)。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(gè)單元器件而獲得，它實(shí)際是 Bar與單元器件在結(jié)構(gòu)上的折衷優(yōu)化。 2009年，德國(guó)Osram與DILAS公司合作，利用5個(gè)100 m條寬、4 mm腔長(zhǎng)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(dāng)。7

11、、高亮度光纖耦合模塊 半導(dǎo)體激光器件功率的增大與發(fā)散角的降低促進(jìn)了大功率半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體激光單元器件集成光纖耦合輸出半導(dǎo)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(gòu)半導(dǎo)體激光陣列堆光纖耦合輸出傳導(dǎo)熱沉封裝半導(dǎo)體激光陣列光纖耦合輸出7.1 半導(dǎo)體激光單元器件集成光纖耦合輸出 單管半導(dǎo)體激光器件直接耦合進(jìn)入光纖體積小、成本低、壽命長(zhǎng)、技術(shù)成熟。810W/module 利用多個(gè)單元器件，合束，聚焦耦合進(jìn)光纖2009年，美國(guó)Nl

12、ight，14個(gè)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(gè)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(jìn)光纖。 2007年，德國(guó)DILAS公司，NA=0.22，200 m芯徑光纖，輸出500 W，耦合效率83%。多個(gè)短陣列器件集成光纖耦合輸出模塊結(jié)構(gòu)7.3 微通道熱沉封裝半導(dǎo)體激光陣列堆光纖耦合 微通道熱沉封裝結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光陣列堆經(jīng)快、慢軸準(zhǔn)直，空間集成，快慢軸光束均勻化，然后聚焦耦合進(jìn)入光纖 NA=0.22，200m芯徑光纖單模塊輸出400W 亮度較高，光學(xué)元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但成本較高，使用維護(hù)要求高，

13、壽命較短7.5 傳導(dǎo)熱沉封裝半導(dǎo)體激光陣列光纖耦合 多個(gè)傳導(dǎo)熱沉封裝結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光陣列輸出光束經(jīng)快、慢軸準(zhǔn)直后空間集成后直接通過(guò)聚焦耦合系統(tǒng)進(jìn)入光纖。 德國(guó)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(xué)元件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命較長(zhǎng)、免維護(hù)、成本低等。 在直接工業(yè)應(yīng)用的高功率高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光器方面，通過(guò)波長(zhǎng)合束技術(shù)與偏振合束技術(shù)，在輸出光束質(zhì)量不變的情況下，根據(jù)合束波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)而倍增輸出功率。 德國(guó)的Laserline公司技術(shù)較為領(lǐng)先，采用微通道封裝Bar Stack集成獲得從數(shù)百瓦至萬(wàn)瓦級(jí)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(dǎo)體激光器四、半導(dǎo)體激光器的典型應(yīng)用l主要應(yīng)用領(lǐng)域 （1） 通信與光儲(chǔ)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(lǐng)域是半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的最大市場(chǎng) 1.3um和1.55um的InGaAsP/InP半導(dǎo)體激光器是通訊用半導(dǎo)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(jī)的功率放大、線路放大、無(wú)再生中繼、接收機(jī)的前置放大等。光信息存儲(chǔ) 紅光半導(dǎo)

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

16、導(dǎo)焊接管道的軸向焊接。用于薄片金屬焊接的半導(dǎo)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(dǎo)體激光器焊接的優(yōu)點(diǎn)熱量輸入低，零件的扭曲變形小可進(jìn)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(dǎo)體激光器泵浦固體激光器(DPSSL)是大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用最多的領(lǐng)域。作為泵浦光源，半導(dǎo)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(dǎo)體激光器在激光醫(yī)療中也具有很重要的應(yīng)用，如激光手術(shù)刀、光能治療、激光針灸、脫毛和除發(fā)。不同波長(zhǎng)大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)

17、用軍事應(yīng)用：（1）激光雷達(dá)（2）激光制導(dǎo)（3）激光測(cè)距（4）激光引信激光雷達(dá) 激光雷達(dá)是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)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(cè)速范圍廣、能獲得目標(biāo)的多種圖像、抗干擾能力強(qiáng)、比微波雷達(dá)的體積和重量小等 激光跟蹤、激光測(cè)速、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術(shù) 利用直接調(diào)制激光二極管技術(shù)的無(wú)掃描成像雷達(dá)具有極大地軍事應(yīng)用前景。激光制導(dǎo) 駕束制導(dǎo)：大功率半導(dǎo)體激光器可作為發(fā)射光源直接用于激光駕束制導(dǎo)導(dǎo)彈。經(jīng)空間編碼的激光光束直接指向目標(biāo)，導(dǎo)彈的彈尾接收器接收激光束中的編碼信號(hào)修正導(dǎo)彈的飛行軌跡直至擊中目標(biāo)。 激光半主動(dòng)制導(dǎo) 激光主動(dòng)制導(dǎo) 激光測(cè)距 采

18、用直接調(diào)制的脈沖半導(dǎo)體激光器可用于激光測(cè)距，目前測(cè)距1公里的半導(dǎo)體激光測(cè)距機(jī)已經(jīng)商品化，測(cè)距精度達(dá)幾厘米。 激光引信 半導(dǎo)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(zhǔn)確地確定起爆點(diǎn)，使彈頭適時(shí)起爆，激光發(fā)射裝置與接收裝置均置于彈的頭部。 五、半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)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(dǎo)體激光器表現(xiàn)強(qiáng)勁，2012年的材料加工市場(chǎng)需求將會(huì)適度增長(zhǎng) 用于眼科和外科手術(shù)的激光器仍需求強(qiáng)勁，但美容設(shè)備激光器銷量會(huì)衰退，總體呈上升趨勢(shì)。醫(yī)療 用于基礎(chǔ)研究和軍事方面的激光器仍然有適度增長(zhǎng)，尤其在中紅外對(duì)抗測(cè)距及激光雷達(dá)方面。軍事應(yīng)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(dòng)光纜。 在硬盤(pán)上使用激光器將容量提升一至兩代。通信與光儲(chǔ)存新波長(zhǎng)及其應(yīng)用 405 440nm（GaN） 目前其應(yīng)用主要是低功率應(yīng)用，如405nm波長(zhǎng)在藍(lán)光DVD中的應(yīng)用。 輸出功率幾瓦的半導(dǎo)體激光器可用于以下領(lǐng)域：絲網(wǎng)印刷中的環(huán)氧樹(shù)脂固化印刷與半導(dǎo)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(gòu)的半導(dǎo)體激光器巴條，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率半導(dǎo)體激光器，其在630nm 的輸出功率可達(dá)幾瓦，在680nm 的輸出功率最高約達(dá)20W 。 這些波長(zhǎng)可用于光動(dòng)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(lǐng)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