半導(dǎo)體激光器的發(fā)展及應(yīng)用

..題目：半導(dǎo)體激光器的開展與應(yīng)用學(xué)院：理專業(yè)：光姓名：半導(dǎo)體激光器的開展與應(yīng)用摘要：激光技術(shù)自1960年面世以來便得到了飛速開展，作為激光技術(shù)中最關(guān)鍵的器件激光器的種類層出不窮，這其中開展最為迅速，應(yīng)用作為廣泛的便是半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器的獨特性能及優(yōu)點，使其獲得了廣泛應(yīng)用。本文就簡要回憶半導(dǎo)體激光器的開展歷程，著重介紹半導(dǎo)體激光器在日常生活與軍用等各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：激光技術(shù)、半導(dǎo)體激光器、軍事應(yīng)用、醫(yī)學(xué)應(yīng)用引言激光技術(shù)最早于1960年面世，是一種因刺激產(chǎn)生輻射而強(qiáng)化的光。激光被廣泛應(yīng)用是因為它具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高等特性。激光技術(shù)的原理是：當(dāng)光或電流的能量撞擊某些晶體或原子等易受激發(fā)的物質(zhì)，使其原子的電子到達(dá)受激發(fā)的高能量狀態(tài)，當(dāng)這些電子要回復(fù)到平靜的低能量狀態(tài)時，原子就會射出光子，以放出多余的能量；而接著，這些被放出的光子又會撞擊其它原子，激發(fā)更多的原子產(chǎn)生光子，引發(fā)一連串的"連鎖反響〞，并且都朝同一個方前進(jìn)，形成強(qiáng)烈而且集中朝向某個方向的光。這種光就叫做激光。激光幾乎是一種單色光波，頻率圍極窄，又可在一個狹小的方向集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以對各種材料進(jìn)展打孔。激光因為擁有這種特性，所以擁有廣泛的應(yīng)用。激光技術(shù)的核心是激光器，世界上第一臺激光器是1960年由T.H.梅曼等人制成的第紅寶石激光器，激光器的種類很多，可按工作物質(zhì)、鼓勵方式、運轉(zhuǎn)方式、工作波長等不同方法分類。但各種激光器的根本工作原理均一樣，產(chǎn)生激光的必不可少的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成局部有鼓勵〔或抽運〕源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質(zhì)兩個局部。半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速開展及隨之而來的晶體管的創(chuàng)造，使科學(xué)家們早在50年代就設(shè)想創(chuàng)造半導(dǎo)體激光器。在1962年7月美國麻省理工學(xué)院林肯實驗室的兩名學(xué)者克耶斯〔Keyes〕和奎斯特〔Quist〕報告了砷化鎵材料的光發(fā)射現(xiàn)象，通用電氣研究實驗室工程師哈爾〔Hall〕與其他研究人員一道研制出世界上第一臺半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的一類激光器，由于物質(zhì)構(gòu)造上的差異，產(chǎn)生激光的具體過程比擬特殊。常用材料有砷化鎵〔GaAs〕、硫化鎘〔CdS〕、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。鼓勵方式有電注入、電子束鼓勵和光泵浦三種形式。自1962年世界上第一只半導(dǎo)體激光器是問世以來，經(jīng)過幾十年來的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的開展，它的波長從紅外、紅光到藍(lán)綠光，被蓋圍逐漸擴(kuò)大，各項性能參數(shù)也有了很大的提高！半導(dǎo)體激光器具有體積小、效率高等優(yōu)點，因此可廣泛應(yīng)用于激光通信、印刷制版、光信息處理等方面。一、半導(dǎo)體激光器的開展簡史半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料作為主要工作物質(zhì),利用其在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光發(fā)生振蕩、反響，產(chǎn)生光的輻射放大，從而輸出激光。早期的半導(dǎo)體激光器以材料的p-n結(jié)特性為根底，因外觀與晶體二極管類似，也常被稱為二極管激光器或激光二極管。但那時的激光二極管受到很多實際限制，如只能在77K低溫下以微秒脈沖工作。20世紀(jì)60年代初期研制的只能以脈沖形式工作的一種半導(dǎo)體激光器仍然在可預(yù)見相關(guān)領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用。而后生產(chǎn)的異質(zhì)構(gòu)造半導(dǎo)體激光器，是由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層〔如GaAs,GaAlAs〕所組成，最先出現(xiàn)的是單異質(zhì)構(gòu)造激光器(1969年)，它是利用異質(zhì)結(jié)提供的勢壘把注入電子限制在GaAsP一N結(jié)的P區(qū)之，以此來降低閥值的電流密度，其數(shù)值比同質(zhì)結(jié)激光器降低了一個數(shù)量級，但仍不能在室溫下連續(xù)工作。直至1970年，人們才實現(xiàn)了激光波長為9000Å，可在室溫連續(xù)工作的雙異質(zhì)結(jié)GaAs-GaAlAs〔砷化鎵一鎵鋁砷〕激光器，如砷化稼一稼鋁砷激光器。1978年出現(xiàn)的世界上第一只半導(dǎo)體量子阱激光器(QWL)，大幅度提高了半導(dǎo)體激光器的各種性能。后來，又由于MOCVD,MBE生長技術(shù)的成熟，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，它的闌值電流低、輸出功率高，頻率響應(yīng)好，光譜線窄，溫度穩(wěn)定性好，電光轉(zhuǎn)換效率較高。20世紀(jì)70年代末開場，半導(dǎo)體激光器主要向兩個方向開展，一是以傳遞信息為目的的信息型激光器；二是以提高光功率為目的的功率型激光器。20世紀(jì)90年代，在泵浦固體激光器等應(yīng)用的推動下，連續(xù)輸出功率100W以上，脈沖輸出功率5W以上的高功率半導(dǎo)體激光器取得了突破性進(jìn)展，國外千瓦級的高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商品化，國樣品器件輸出也已到達(dá)600W。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的面發(fā)射激光器(SEL)是一種在室溫下可到達(dá)亞毫安的網(wǎng)電流8mW的輸出功率和11%的轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體激光器。20世紀(jì)90年代末，面發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器得到了迅速的開展，且已考慮了在超并行光電子學(xué)中的多種應(yīng)用。980nm,850nm和780nm的器件在光學(xué)系統(tǒng)中已實現(xiàn)了實用化。為了滿足21世紀(jì)信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量化以及軍用裝備的小型、高精度化等需要，半導(dǎo)體激光器在高速寬帶LD、大功率ID，短波長LD，盆子線和量子點激光器、中紅外LD等方面取得了一系列引人矚目的成果。二、半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用1.在激光光譜學(xué)中的應(yīng)用激光光譜是以激光為光源的光譜技術(shù)，主要用于分子光譜、等離子物理、高階諧波產(chǎn)生的科學(xué)應(yīng)用及大氣污染的監(jiān)測和癌癥的診斷等。而選用半導(dǎo)體激光器作為激光光譜學(xué)的光源中有較多優(yōu)勢，它體積小，輸入能量低，壽命長，可協(xié)調(diào)性強(qiáng)且價格低廉。例如圖1即為"SPECDILASV—763—OXY"VCSEL所探測的氧氣的吸收光譜(半導(dǎo)體激光器的工作溫度為Top=10℃,Iset=4.6mA,加32Hz,10.6mV的鋸齒波,256次平均)?？梢钥闯?通過改變工作電流很容易地得到氧氣的兩個吸收峰,無模式跳躍。圖1用760nmVCSEL激光器測得的氧氣吸收光譜2.半導(dǎo)體激光器在光固化成型技術(shù)中的應(yīng)用光固化成型法〔StereolithographyAppearance，簡稱SLA〕是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，由于它成型過程自動化程度高、制作原型外表質(zhì)量好、尺寸精度較高且能夠?qū)崿F(xiàn)比擬精細(xì)的尺寸成型，在單件小批量精細(xì)鑄造、概念設(shè)計的交流、產(chǎn)品模型、快速工模具及直接面向產(chǎn)品的模具等諸多方面廣泛應(yīng)用于航空、汽車、電器、消費品以及醫(yī)療等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。其成型原理如圖2所示,用特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料外表,使之由點到線,由線到面順序凝固,完成一個層面的繪圖作業(yè),然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度,再固化另一個層面.這樣層層疊加直至構(gòu)成一個三維實體。圖2光固化成型原理示意圖而紫外半導(dǎo)體激光器技術(shù)的開展，為SLA提供了最好的光源，在電光效率、本錢、體積、壽命和可靠性等指標(biāo)上堪稱最優(yōu)，在光譜、譜線寬度、功率等性能方面也完全符合其工藝要求，因此現(xiàn)在進(jìn)展這種新型光源的研究已成為現(xiàn)實。3.半導(dǎo)體激光器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用伴隨激光技術(shù)的日趨成熟，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用圍覆蓋了整個光電子學(xué)領(lǐng)域，它在軍事領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，成為我國國防事業(yè)不可或缺的中堅力量。如半導(dǎo)體激光雷達(dá)，主要是波長820~850nm的LD及列陣。新型半導(dǎo)體激光雷達(dá)與被動探測〔紅外系統(tǒng)〕相結(jié)合，具有多種成像功能，包括強(qiáng)度成像、距離成像和速度成像等，具有先進(jìn)的實時圖像處理功能，包括各種成像的綜合、圖像跟蹤和目標(biāo)的自動識別等。此外，半導(dǎo)體激光器也在激光測距、激光模擬武器、激光戒備、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。4.半導(dǎo)體激光器在醫(yī)療上的應(yīng)用半導(dǎo)體激光器體積小、本錢低、壽命長、波長可選擇、輸出功率穩(wěn)定等優(yōu)點，特別適用于醫(yī)療設(shè)備，其臨床應(yīng)用幾乎覆蓋了所有其他類型的激光器的應(yīng)用圍。如低功率810nm近紅外半導(dǎo)體激光器，由于該波長的激光穿透能力強(qiáng)，屈光間質(zhì)對它吸收最少，光斑直徑可調(diào)圍大,是眼科中最常用的熱源，可用于治療青光眼、硅油注入術(shù)后難治性高眼壓以及視網(wǎng)膜的光凝和固定等；810nm半導(dǎo)體激光起能夠很好被毛囊黑色素吸收，產(chǎn)生熱效應(yīng)，破壞毛囊，完成脫毛的效果，圖3為一半導(dǎo)體激光脫毛儀及其脫毛效果示意圖；大功率半導(dǎo)體激光器也廣泛應(yīng)用于腫瘤的激光切割、凝固手術(shù)。這些都為人類的安康進(jìn)一步提供了保障。圖3導(dǎo)體激光脫毛儀及脫毛效果示意圖5.半導(dǎo)體激光器在通信領(lǐng)域的應(yīng)用半導(dǎo)體激光器在信息的獲取，傳輸，存儲和處理以及顯示中也得到廣泛應(yīng)用。21世紀(jì)，隨著光纖通信的開展，半導(dǎo)體激光器光作為光纖通信系統(tǒng)中的光源，是關(guān)鍵元件,是整個系統(tǒng)的核心局部,短距離的光纖通信采用單模光纖和130~150nm波長的半導(dǎo)體激光器,空間通信用列陣半導(dǎo)體激光器。全球光纖通信市場前景廣闊,因此,半導(dǎo)體激光器的市場前景也是非常好的。6.半導(dǎo)體激光器在激光打印及印刷市場中的應(yīng)用激光打印機(jī)脫胎于80年代末的激光照排技術(shù)，流行于90年代中期。它是將激光掃描技術(shù)和電子照相技術(shù)相結(jié)合的打印輸出設(shè)備。較其他打印設(shè)備，激光打印機(jī)有打印速度快、成像質(zhì)量高等優(yōu)點。10-100nm的高功率半導(dǎo)體激光器主要用于高速激光打印機(jī)。一般為網(wǎng)絡(luò)化辦公打印機(jī),包括新出現(xiàn)的彩色激光打印機(jī)(打印速度為12-35p/min)。用激光把資料直接寫在印刷板上正成為印刷技術(shù)工業(yè)的一種開展趨勢,不僅節(jié)省很多中間環(huán)節(jié)、降低本錢,而且加快了速度，因此此種應(yīng)用預(yù)計會穩(wěn)定增長，如采用1W二極管激光器64元陣列、用光纖藕合配以透鏡系統(tǒng)。目前多數(shù)激光、計算機(jī)、印刷系統(tǒng)采用鹵素銀或光敏有機(jī)物的光敏材料。杜邦公司、柯達(dá)公司等均在致力于開發(fā)此類熱敏材料,采用半導(dǎo)體激光器日益增多,此項應(yīng)用市場也呈蓬勃開展。圖4一種激光打印機(jī)結(jié)論本文簡要介紹了半導(dǎo)體激光器的開展，詳細(xì)描述了半導(dǎo)體激光器在激光光譜學(xué)、光固化快速成型、軍事醫(yī)療、數(shù)字通信、激光打印及印刷市場等方面的應(yīng)用，可以看出半導(dǎo)體激光器日后一定會得到更加廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]激光器件半導(dǎo)體激光器[J]。中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘,2005,(06)[2]再吉。GaInNAs半導(dǎo)體激光器的開發(fā)[J]。半導(dǎo)體信息,2007,(01)[3