1、半導體激光器的應用 張小興20164208079u半導體激光器的發展u半導體激光器的特性u半導體激光器的分類u半導體激光器的典型應用u半導體激光器市場及發展u新波長及其應用u總結目錄半導體激光器的發展1962年：第一臺半導體激光器是同質結的，即和普通的p-n結極管一樣。這種 同質結激光器有源區的厚度為電 子擴散長度量級(微米量級)，閾值電 流密度需達到105A /cm2，因此只能在液氮溫度(77 K)和脈沖狀態下工作。1967年：出現的單異質結半導體激光器由兩種不同帶隙的半導體材料薄層所組成， 利用高帶隙勢壘的阻擋作用，使閾值電流密度降低了一個數量級，并實 現了在室溫下脈沖工作。半導體激光器的

2、發展1970年: 雙異質結激光器出現。雙異質結激光器是將窄帶隙并具有高折射率的 半導體材料夾在兩個寬帶隙并具有低折射率的半導體材料之間，因而 可以利用帶隙勢壘和光波導將載流子和光子有效地限制在有源區內。 從而使閾值電密度又降低了一個數量級，并實現了室溫下連續工作。 1978年：出現的量子阱激光器是把窄帶隙超薄層夾在兩個寬帶隙勢壘薄層之間， 由于有源層的厚度被減少到同電子德布羅意波長(約為10 nm)差不多， 即量子化尺寸。半導體激光器的特性轉換效率高：70%。體積?。簩δ湍バ约澳透g性要求較高的金屬零件進行表而熱處理或 局部熔覆用半導休激光器光束進行熔覆與表面熱處理的優勢電光效率高 材料吸收率

3、高 使用維護費用低 光斑形狀為矩形 光強分布均勻等材料加工激光熔覆用于激光熔覆與表面熱處理的半導體激光器功率：16kW 光束質量：100400mm/mrad光斑大小：22mm2廣泛應用于電力、石化、冶金、鋼鐵、機械等工業領域不同熔覆方法的比較激光溶暴與 熱處理設備直接半導 體激光器軸流co2激光器燈泵YAG激光器半導體泵 YAG激光器總體轉換效率()35616每小時費用($)1.510.030.06.0波長(m)0.810.61.061.06鋼的吸收率()40123535鋁的吸收率()13277功率密度（W/cm2）103-106103 - 338103-107103-107冷卻系統制冷量（K

4、w）85010060雛護間隔時間（h）10，00020-30，0001，00010，0002kW激光功枵（kW）83320033 ps：YAG釔鋁石榴石材料加工半導體激光器在焊接領域的應用 汽 車 工 業 精 密 點 焊 熱 傳 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 光束質量為40150mmmrad 光斑大小為0.41.5mm，。大功率半導體激光器焊接的優點 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 非常適合工業焊接的不同需要，它將逐漸取代傳統的焊接方法半導體激

5、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越性。泵浦光源1、低功耗：傳統的燈泵浦激光器的轉換效率大約只有3%左右，泵浦燈的發出的能量大部分轉換成了熱能，造成了極大的能源浪費。而半導體泵浦固體激光器所用的二極管發出固定的，被激光晶體吸收的808nm波長的激光，光光轉換效率可高達40%以上，大大減少了運行成本。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越性。泵浦光源2、性能可靠、壽命長：激光二極管的壽命大大長于閃光燈，達15000小

6、時以上，閃光燈的壽命只有3001000小時。激光半導體的泵浦能量穩定性好，比閃光燈泵浦優一個能量級，性能可靠，可制成全固化器件。運行壽命長，成為至今為止唯一無需維護的激光器，尤其適用于大規模生產線。3、輸出光束質量好：由于半導體泵浦激光的高轉換效率，減少了激光工作物質的熱透鏡效應，大大改善了激光器的輸出光束質量，激光光束質量已接近理論極限。激光光譜學中的應用1、半導體激光器在激光光譜學中的優勢具有可調諧性：這是用于激光光譜學的半導體激光器的一個重要的特性，其波長可通過改變溫度或改變驅動電流來調諧。具有高靈敏度：如對于某種氣體只要選擇合適的光譜波段就可測出低于10-9的濃度。具有高選擇性：半導體

7、激光器的譜線寬度可限制在多普勒寬度范圍內,從而可以減少譜線重疊，增加選擇性。波長易于調制：半導體激光器可用調制技術能夠減少激光的過量噪聲。光譜純度高。通常半導體激光器在測定譜區重復掃描，所記錄的吸收光譜是特定時間間隔內的平均結果，因而信噪比大為提高。激光光譜學中的應用1、半導體激光器在激光光譜學中的優勢如圖即為“SPECD ILAS V-763-OXY”VCSEL（垂直腔面發射激光器）所探測的O2吸收光譜（半導體激光器的工作溫度Top=10，Iset=4. 6 mA,加32 Hz，10.6 mV的鋸齒波, 256次平均）?？梢钥闯觯ㄟ^改變工作電流很容易地得到O2的兩個吸收峰，無模式跳躍。用7

8、60 nmVCSEL激光器測得O2的吸收峰激光光譜學中的應用2、半導體激光器在實際中的具體應用p UlfGustfsson應用半導體激光吸收光譜技術采用直接吸收測量技術同時監測了燃燒器中CH4，H2O及O2。該實驗是運用基于兩個近紅外半導體激光器的差頻體系實現的。pKai-Uwe Ple-ban利用基于760 nmVCSEL激光器的GM700-1C傳感器快速地測量了汽車排氣口氣體流體中的O2濃度。激光光譜學中的應用2、半導體激光器在實際中的具體應用p A.ROCCO等人利用在1. 997m激射的單模DFB半導體激光器光譜儀分別在Naple附近的Solfatara火山和意大利Eolian arc

9、hipelago的Vulcano Island監測了火山氣體中的H2O和CO2。所測得的H2O和CO2濃度的不精確度為1%到3%。p PhilipA.Martin利用近紅外DFB半導體激光器裝置遙感監測了路面上汽車尾氣中的CO和CO2氣體。該裝置的掃描周期為1s,在1h內可測取3600個車輛,效率極高。大功率半導體激光器在激光醫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。激光醫療及美容高功率半導體激光器在醫療中的主要應用波長波長/nm操作模式操作模式醫療應用醫療應用810，830，980連續連續激光手術刀激光手術刀800，810脈沖脈沖脫毛脫毛980脈沖脈沖祛皺祛皺1

10、450脈沖脈沖祛斑、祛皺祛斑、祛皺半導體激光器在醫療上的應用u眼科：眼睛是光的讀出器官，不論是測定、診斷或治療，激光都能起到重要作用用于治療各種難治性青光眼、硅油注入術后難治性高眼壓,以及視網膜的光凝和固定等。研究證實半導體激光能以較低能量穿透鞏膜,被睫狀體組織吸收,并在上皮和基質進行光凝,使睫狀體無色素上皮壞死,而房水生成功能隨之抑制或喪失,進而降低眼壓。u外科：目前, 已廣泛采用808nm低功率半導體激光器進行外科手術中組織融合的研究。Wolf-deJonge研究發現,半導體激光在焊接血管時其焊接點平 均破裂壓力與其它常用激光相比居中,但其術后動脈瘤生成概率最低。隨著激光焊接中焊料的不斷發

11、展,半導體激光組織焊接牢固性也不斷增強,在組織融合中的應用將越來越廣泛。半導體激光器在醫療上的應用u牙科：近幾年來, 在美國由以色列牙醫發明的激光無損傷性牙體美白技術,獲得FDA認可,激光牙體美白的方法在美國獲得普及應用。美國LaserSmile公司生產的半導體diode激光牙齒美白治療儀能有效改善色澤不良牙體的顏色,尤其對黃染牙效果顯著,不失為一種安全、簡便、無損傷的新方法。u外科針灸理療科：弱激光照射可以刺激局部血液循環、促進細胞生長、調整組織機能、提高機體免疫力、緩解痛癥及 促使創傷愈合等。激光針刺與傳統針灸相比,具有無痛、無菌、安全、操作簡便、易控制劑量等優點,兼有針和灸的雙重作用,在

12、內科、外科、牙科、皮膚科、婦產科、中醫科、耳鼻喉科等領域都越發引起人們的關注,正成為一種有效的臨床治療方法。不同波長大功率半導體激光器應用波長波長/nm650630-680780780-860808材料InGaAsPInGaAsPInGaAsPInGaAsPInGaAsP應用DVD技術醫學應用CD技術泵浦固體激光器醫學應用、泵浦固體激光器940-98094197698014551480InGaAsInGaAsInGaAsInGaAsInGaAsP或InGaAsInGaAsP或InGaAs紅外光源、醫學應用半導體泵 YAG激光器光纖激光器摻鉺光纖放大器、光纖激光器泵浦拉曼放大器摻鉺光纖放大器(1

13、) 激光雷達(2) 激光制導(3) 激光測距及夜視儀(4) 激光引信(5) 通信光源(6) 激光武器模擬(7) 激光瞄準和告警(8) 激光通信(9) 軍用光纖陀螺軍事應用： 激光雷達是傳統雷達技術與現代激光技術相結合的產物。 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。激光雷達i激光制導l 駕束制導：大功率半導體激光器可作為發射光源直接用于激光駕束制導導彈。經空間編碼的激光光束直接指向目標導彈的彈

14、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。l 激光主動制導l 激光半主動制導激光測距采用直接調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商品化，測距精度達幾厘米。美國國際激光系統公司的GRS00型激光測距機， 采用GaAs激光器，脈寬40ns，發射角5mrad，測距3230m，重量10kg。激光夜視儀半導體激光夜視儀和激光夜視監測儀也得到重要應用。利用半導體激光器列陣主動式夜視儀的光源具有隱蔽性，列陣功率高的特點，可提高監測距離至1km，如配上掃描和圖像顯示裝置，則可成為激光夜視監測儀。用其對目標進行監測時，目標的活動情況可適時通過光纜傳送到

15、指揮所。選擇較長的合適波長，可成為全天候監測儀。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，激光發射裝置與接收裝置均置于彈的頭部。激光引信半導體激光器是一種理想光源，具有抗干擾、保密性好等優點。激光對潛通信光源藍綠光是海水的通信窗口(460540nm)，穿透深度約300英尺， 潛艇可用藍綠光和衛星或航空母艦進行通信聯絡。倍頻半導體高功率激光器列陣(波長在9201080nm)就是一種這樣的光源。半導體激光通信光源激光模擬主要是以半導體激光為基礎發展起來的新型軍訓和演習技術。通過調節激光射束、周期和范圍以達到模擬任何武器特征的目的。武器模擬主要使用9

16、04nm半導體激光器， 用對眼睛安全的激光器作為戰術訓練系統的基礎，最初稱為激光交戰系統(LES) 。半導體激光武器模擬瞄準具有兩類：一類以發射紅外激光的GaAs激光器為基礎，士兵需佩戴夜視鏡才能看清目標上的激光光斑，以解決夜間士兵的瞄準射擊問題；另一類激光瞄準以發射紅色激光和可見光的半導體激光器為基礎。美國激光裝置公司在20世紀80年代推出的FA-4型激光瞄準具的重量僅99g，長11.4cm。為滿足不同波長激光和可調諧激光器的探測要求，激光告警的工作波段不斷得到拓展，角分辨率也不斷得到提高。新研制的雙波段型激光告警系統覆蓋的波段范圍為0.451.65m，這種設備已在“豹”型坦克上得到了驗證。

17、半導體激光瞄準和告警半導體激光器在衛星通信技術中只需要較小的望遠鏡和較低的發射功率，就能實現光的自由空間傳輸并獲得極高的數據率傳輸。激光通信技術可用于軌道衛星間的相互通信及衛星與地面站的通信。其中，通信信號用的是波長為808nm的GaAlAs激光二極管，輸出功率為60mW，包括42000km的遠距離傳輸。歐洲航天局已于2001年6月用Ariane5號運載火箭發射Artemis衛星，與法國空間局合作進行半導體激光互連衛星通信實驗。半導體激光通信軍用光纖陀螺是軍用光纖領域中用途最廣，是目標監測和測量方面不可缺少的技術手段。由光纖繞成環形光路，采用Sagnac干涉原理，檢測出隨轉動產生的兩路激光束的

18、相位差， 由此得出轉動的角速度。其主要優點是: 無運動部件，儀器牢固，耐沖擊，抗加速運動；機構簡單，價格低廉；啟動時間極短(原理上可瞬時啟動)；靈敏度高，可達10-7rad/s；動態范圍極寬(約為2000度/秒)；壽命長等。在軍用民用光纖通信、光纖制導導彈、制導魚類等方面廣泛應用。軍用光纖陀螺半導體激光器市場及發展全球商用激光器總收入總額非二極管激光器二極管激光器 用于電子行業和汽車工業等制造業的半導體激光 器表現強勁，2012年的材料加工市場需求將會適度增長。材料加工 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。醫療軍事應用 用于基礎研究和軍事方面的激光

19、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。 主干網和數據中心的光通信需求繼續增大，尤其是 40G到100G收發器、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u405 440nmu 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。u 輸出功率幾瓦的半導體激光器可用于以下領域： 絲網印刷中的環氧樹脂固化 印刷與半導體行業中的光刻 摻鐠（Pr)晶體和光纖的泵浦新波長及其應用u630 690nmu 該波段范圍內的低功率產品通常用于指示器和DVD u 基于砷化鎵（GaAs)晶體上的銦鎵鋁磷（InGaAlP)結構的半導體激光器巴條，能夠實現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。u 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生超短脈沖、照明、全息以及顯示 等諸多領域。新波長及其應用u808 976nmu 主要用于固體激光器材料的泵浦u 除了泵浦固體激