波长808nm半导体激光器的原理与应用
波长808nm半导体激光器的原理与应用
摘要：波长为808nm的半导体激光器是一种大功率半导体激光器，它具有功率高、电光转换效率高、可靠性强、寿命长、体积小及成本低等诸多优点。高功率半导体激光器作为半导体激光器的一个重要组成部分，近年来的迅速发展在国际上受到普遍关注。随着半导体激光器件技术的发展 ,大功率半导体激光器将逐步成为光通讯、光信息存储、激光器泵浦等应用中的关键设备。由于在应用中对环境的苛刻要求 ,所以使用中必须十分注意。本文介绍的应用是波长为808nm半导体激光器的基本应用 ,希望我们能把握该激光器的特点 ,了解该激光器的未来发展情况。
1、国内外808nm半导体激光器的发展状况
在八十年代初，人们已吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。
早在1963年就有人提出用波长在800 ～ 900nm之间的半导体激光发射器件作为固体激光器介质泵浦源的设想。但是进入八十年代后,随着高功率激光二极管及其列阵的发展,特别是MBE、MOCVD生长技术和量子阱,应变量子阱机构的采用,使得单个激光二极管的阈值电流大大降低,转换效率大幅提高,输出功率成倍增长,使用寿命大大延长,使激光二极管泵浦固体激光器的研究迈上了新台阶, 取得了突飞猛进的成就。
国外在大功率半导体激光器处于领先地位的是美国和德国,美国的相干公司、I公司、SL 德国的LIMO公司的大功率半导体激光器的技术和质量都非常好,输出功率从几W到几百W。该公司研制的微型光学准直整形透镜可提高半导体激光器的出光质量。
2、808nm半导体激光器的发光机理
808nm半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。
半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波
长为λ的光子，其公式如下：
λ = hc/Eg (1)
式中：h—普朗克常数；c—光速； Eg—半导体的禁带宽度。
上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是半导体激光器的简单原理。
半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
808nm半导体激光器特点：半导体激光器激光器优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等特点。
3、808nm半导体激光器的应用
半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。
808nm半导体激光器在精密机械零件的激光加工方面有重要应用，同时也成为固体激光器最理想的、高效率泵浦光源。由于它的高效率、高可靠性和小型化的优点，导致了固体激光器的不断更新。
在印刷业和医学领域，808nm半导体激光器也有应用。另外，808nm半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器，DVD系统和高密度光存储器可见光面发射激光器在光盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用。
由于808nm半导体激光器可以通过改变磁场或调节电流实现波长调谐，且已经可以获得线宽很窄的激光输出，因此利用半导体激光器可以进行高分辨光谱研究。调谐激光器是深入研究物质结构而迅速发展的激光光谱学的重要工具大功率中红外(3.5lm)LD在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗口、自由空间通信、大气监视和化学光谱学等方面有广泛的应用。
1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统。于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光祸合等方面有重要用途。半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展。如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。半导体激光
器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术。是大容量、高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写人和读出。
目前，基于cm条阵列激光器的技术基础已经获得了不同功率输出、不同工作方式、不同光束质量的多种类型的高功率半导体激光器。由于此类激光器制备技术的军事敏感性及其对先进设备和材料的高度依赖性，使得我国在此类新型激光器的技术发展方面与国外先进国家（如美国、德国等）相比尚存在较大的距离。我们在总装备部、原国防科工委、兵器部等有关部门的支持下，依靠光电子学与集成光电子学国家重点实验室、高功率半导体激光国家重点实验室的设备和技术优势，对808nm波长的高功率半导体激光器相关制备技术进行了较为全面的研究，无论在材料生长方面还是在阵列工艺方面都提出了一些新的设计思想和技术方法，并制备出多种类型的808nm波长高功率半导体激光器。
4、总结
半导体激光器自20世纪80年代初以来，由于取得了DFB动态单纵模激光器的研制成功和实用化，量子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的研制成功，面发射激光器的实现、单极性注人半导体激光器的研制等等一系列的重大突破，半导体激光器的应用越来越广泛，半导体激光器已成为激光产业的主要组成部分，目前已成为各国发展信息、通信、家电产业及军事装备不可缺少的重要基础器件。
本论文首先介绍了808nm半导体激光器的应用前景及其主要发展概况，介绍了808nm半导体激光器的工作原理。由于其具备了普通半导体激光器的诸多优点，如效率高、可靠性好、结构紧凑、调制简单等，使其在国防尖端技术（如激光测距、激光制导、激光引信、激光通讯等）、精密加工技术（如激光表面处理、金属切割/焊接、快速成型等）、科学研究（如激光倍频、激光核聚变等）以及医疗等方面有着广阔的应用前景。
参考文献
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