半导体激光器的历史状况及应用
半导体激光器的发展及其应用
浅谈半导体激光器及其应用摘要：近十几年来半导体激光器发展迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。
由于半导体激光器的一些特点，使得它目前在各个领域中应用非常广泛，受到世界各国的高度重视。
本文简述了半导体激光器的概念及其工作原理和发展历史,介绍了半导体激光器的重要特征,列出了半导体激光器当前的各种应用,对半导体激光器的发展趋势进行了预测。
关键词：半导体激光器、激光媒质、载流子、单异质结、pn结。
自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来,半导体激光器发生了巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。
近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。
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。
由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点,使得它目前在光电子领域中应用非常广泛,已受到世界各国的高度重视。
一、半导体激光器半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn 结或Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。
半导体激光工作物质有几十种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等。
半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。
绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入,即给Pn 结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射,也就是说是个正向偏置的二极管。
因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。
对半导体来说,由于电子是在各能带之间进行跃迁,而不是在分立的能级之间跃迁,所以跃迁能量不是个确定值, 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上。
它们所发出的波长在0.3～34μm之间。
其波长范围决定于所用材料的能带间隙,最常见的是AlGaAs双异质结激光器,其输出波长为750～890nm。
半导体激光器
半导体激光器（济南福来斯光电技术有限公司，）1 前言当前人类正进入信息和智能化的时代。
以光电子、微电子为基础的通信和网络技术已成为高技术的核心，正在深刻地影响着国民经济、国防建设的各个领域，成为世界发达国家竞相发展的高新技术，其中以半导体激光器起着举足轻重的作用。
20世纪60年代到20世纪70年代[1-5]经过各国科学家的不懈努力，实现了半导体激光器的室温、连续激射后，开创了半导体激光器的发展的新时期。
以其转换效率高、体积小、重量轻、寿命长、能直接调制等特点成为信息技术的关键器件。
其发展速度之快、应用范围之广、波长覆盖范围之宽都是任何其它类型激光器所不能比拟的。
目前已经是光纤通信、光纤传感、光盘信息存贮、激光打印和印刷、激光分子光谱学以及固体激光器泵浦（DPSSL）和光纤放大器（SLA）泵浦中不可替代的光源。
随着它的输出功率和相干性的不断提高，它也在材料加工、精密测量等方面一展宏图，显示出巨大潜力，正在迅速占领过去由气体和固体激光器占领的一些市场。
据统计国内半导体激光器的市场占有率正逐年递增，从90年代初期的不足10%到目前80%以上。
对于半导体激光器在任何领域的应用，总希望其能长期可靠的工作，例如海底通信系统由于维修更换成本很高，因此要求器件可靠工作20年以上[6]，而影响维修周期长短的关键器件就是半导体激光器的工作寿命。
因此从90年代初发达国家开始对半导体激光器的可靠性和寿命测试方法开始研究。
这些研究归纳起来有两种：第一、加速寿命测量法：如热应力加速测量法[7-9]、电应力加速测量法（包括大电流加速[10]和静电冲击[11]）等等。
第二、激光器参数测量法[12]：如电导数测量法、热阻测量法。
确定器件的可靠性和寿命原则上应在特定的工作条件下（电流、功率、温度等）对器件进行考核，直至器件失效。
对于高可靠性的电子元器件进行长时间的寿命试验，无论从成本还是时间上来看，都是不合算的，甚至是不可能的。
例如对于某种器件，如果要求其失效率为2.6×10-8/小时，抽取1000只进行试验，若允许5只失效，则需试验22年。
从ACP看半导体激光器的发展与应用
从ACP看半导体激光器的发展与应用摘要：激光技术自1960年面世以来得到了飞速发展，作为激光技术中最关键的器件激光器的种类层出不穷，这其中发展最为迅速，应用作为广泛的便是半导体激光器。
半导体激光器的发展迅速,以其独特的性能及优点获得了广泛的应用. 本文介绍了半导体激光器的原理、结构、进展。
还介绍了半导体激光器在各个领域中的应用。
本文还介绍了大功率半导体激光器最新研究进展,并展望了其发展趋势。
1、半导体激光器的发展历程半导体激光器是以半导体材料(主要是化合物半导体)作为工作物质,以电流注入作为激励方式的一种小型化激光器。
世界上的第一台半导体激光器是同质结的,即和普通的p—n结极管一样。
这种同质结激光器有源区的厚度为电子扩散长度量级(微米量级),阈值电流密度需达到105A/cm2,因此只能在液氮温度(77K)和脉冲状态下工作。
半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs,GaAlAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969年)。
1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。
后来，又由于MOCVD,MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器。
20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器。
另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。
20世纪90年代，连续输出功率在100以上，脉冲输出功率在5W以上的高功率半导体激光器取得了突破性进展。
2、半导体激光器的原理及特性p-n结电注入激发机理。
若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p 区接正极，n区接负极。
显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。
半导体激光器的发展及其应用
半导体激光器的发展及其应用半导体激光器是将电能转变为光能的一种电光转换器件。
它是一种高效、紧凑、可调谐、易于集成和操作的光源。
半导体激光器的发展历程可以追溯到20世纪60年代初期的研究工作，经过几十年的发展，目前已经广泛应用于通信、医疗、显示、材料加工等领域。
半导体激光器最早的发展可以追溯到20世纪60年代初，当时最早的研究工作主要集中在氮化铟（InGaN）材料的研究中。
1970年代，砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）材料得到了广泛使用，并取得了重要的突破。
1980年代初，氮化镓和锗（Ge）等新材料的研究成果使得半导体激光器的性能得到了显著提高。
在半导体激光器的发展过程中，一些关键技术被不断突破。
如量子阱（Quantum Well）结构的引入，使半导体激光器的阈值电流减小、发光效率增加，达到了单模操作和高功率输出的要求。
此外，多量子阱（Multiple Quantum Well）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）等新的结构和工艺，也极大地拓展了半导体激光器的应用领域。
半导体激光器在通信领域得到了广泛应用。
由于半导体激光器具有高效、紧凑、可调谐的特点，它已经成为光纤通信系统中的关键部件。
其发展逐渐从波长1310nm向波长1550nm转变，因为在这个波段下，半导体激光器的光纤耦合效率更高，损耗更小。
此外，半导体激光器还可以通过外部调制实现高速数据传输，使其在高速光通信中得到广泛应用。
除了通信领域，半导体激光器还在医疗领域发挥着重要作用。
它被广泛应用于眼科激光手术中，如角膜屈光手术和白内障手术等。
半导体激光器的高能量密度和可调谐波长特性，使其成为进行高精度眼科手术的理想工具。
此外，半导体激光器还应用于显示、材料加工、光存储和生物传感等领域。
在显示领域，半导体激光器的小尺寸和高亮度特点，使其成为液晶显示器背光源的重要选择。
在材料加工领域，半导体激光器的高功率和可调谐波长特性，使其在激光切割、激光焊接和激光打印等领域得到广泛应用。
半导体激光器的发展及在光纤通信中的应用
一文看懂半导体激光器的技术发展及应用领域
一文看懂半导体激光器的技术发展及应用领域半导体激光器俗称激光二极管，因为其用半导体材料作为工作物质的特性所以被称为半导体激光器。
半导体激光器由光纤耦合半导体激光器模块、合束器件、激光传能光缆、电源系统、控制系统及机械结构等构成，在电源系统和控制系统的驱动和监控下实现激光输出。
下面就随工业控制小编一起来了解一下相关内容吧。
一、半导体激光器简介半导体激光器俗称激光二极管，因为其用半导体材料作为工作物质的特性所以被称为半导体激光器。
半导体激光器由光纤耦合半导体激光器模块、合束器件、激光传能光缆、电源系统、控制系统及机械结构等构成，在电源系统和控制系统的驱动和监控下实现激光输出。
半导体激光器的常用工作物质主要有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
根据不同的工作物质主要有三种激励方式：电注入，pump式和高能电子束激励。
(1)电注入是半导体激光器，一般由GaAS、CdS、InP、ZnS等工作物质作为主要材料，制成半导体面结型二极管，在受到电注入时，沿着正向偏压注入的电流，对工作物质进行激励，从而在节平面区域产生受激发射。
(2)Punp式激光器，一般由晶体中掺入受主杂的的以空穴为载流子的锗单晶(P型半导体单晶)或以电子为载流子的锗单晶(N型半导体单晶)作为工作物质，并通过其他激光器发出的激光作pump激励，从而实现种群反演。
(3)高能电子束激励式半导体激光器，一般在工作物质的选择上与pump式激光器相似，也是选用半导体锗单晶，但值得注意的问题是，在P型半导体单晶的选择上高能电子束激励式半导体激光器主要以PbS。
CbS和ZnO为主。
半导体激光器种类较多，根据其芯片参数、封装方式的不同，有多种分类方式。
其中，光纤输出的半导体激光器分类方式主要有以下几种：图表1半导体激光器分类二、半导体激光器技术发展情况。
大功率半导体激光器及其应用
宽条形激光器
• 有效折射率随注入电流增加降低。 • 串联电阻和非辐射复合影响，层
结构的温度上升，使折射率上升。
• 这两种效应都可改变有效折射率，
数值为10-4~10-3。
• 在阈值处，载流子的影响占主要
• ηi 内量子效率，受非辐射复合和载流子泄露影响。 • 第二部分是输出耦合和总的谐振腔损耗的关系 • 第三部分代表了获得注入电流必要电压和的实际电压的关
系，包括了由芯片内、外部串联电阻引起的附加电压。
• 第四相描述激光器的工作电流超过阈值电流。
5、 制造技术
• 基本的半导体激光器由晶体衬底上的有源层，注
直接带隙半导体能带图
电子吸收光子跃迁到 导带上，在价带上就 会产生一个空穴。 电子—空穴对的辐射 复合而产生半导体激 光器的光增益 直接带隙半导体更容 易产生辐射。 多数的三五族化合物 半导体是直接带隙半 导体。
半导体激光器的材料选择
• 发射波长：
半导体激光 器的波长由 禁带宽度决 定-晶体材料 决定。
光器（阈值电流密度低、电光转换效率高、输出功率大）。应变量子 阱，生长非晶格匹配的外延材料，拓宽了激光器波长范围。 ➢ 1965年 中国 北中科院北京半导体所。
激光二极管
1、半导体激光器的特性
• 转换效率高：>70%。 • 体积小：<1mm3 • 寿命长，可达数十万小时 • 输出波长范围广：0.6-1.1um，2~3um。 • 易调制：直接调制 • 缺点：发散角大，光束质量差。
近结处。辐射复合的效率超过90%，好的材料能达到接近100%。
• 低掺杂导致了很低的内部损失。因此QW结构使长腔激光器有很高
半导体激光器的发展及在光纤通信中的应用
半导体激光器的发展及在光纤通信中的应用半导体激光器是一种使用半导体材料作为激光产生介质的激光器。
随着科技的不断发展，半导体激光器在各个领域得到了广泛应用，尤其在光纤通信中具有重要作用。
本文将从半导体激光器的发展历程和其在光纤通信中的应用两个方面进行论述。
首先，我们来看半导体激光器的发展历程。
半导体激光器最早是在1962年由美国贝尔实验室的电子学家罗伯特·诺尔表示的。
他利用PN结构的半导体晶体制作出了最早的半导体激光器，此后半导体激光器的研究逐渐成熟。
1970年代，G·奈普舍等人发明了自发辐射增益(MQW)结构，进一步提高了半导体激光器的效率。
1980年代初，人们通过引入量子阱结构，使半导体激光器的发射波长范围得到了拓宽。
1994年，研究者成功实现了垂直腔表面发射激光器（VCSEL），该激光器具有小尺寸、低功耗、易集成等优点，成为半导体激光器研究的重要方向。
其次，半导体激光器在光纤通信领域中有着广泛的应用。
在光纤通信中，半导体激光器主要用于光源和放大器。
作为光源，半导体激光器能够产生高功率、窄谱宽、稳定的激光信号，能够满足光纤通信系统对光源的要求。
除了常用的连续激光器外，脉冲激光器也逐渐得到应用。
脉冲激光器能够产生高峰值功率和短脉冲宽度的激光，用于高速光纤通信系统中的光时钟信号生成和数据调制。
再者，半导体激光器在光纤通信中还广泛应用于放大器。
光纤放大器利用半导体激光器作为光源，将入射的光信号进行放大，提高光纤通信系统的传输距离和传输容量。
其中，掺铒光纤放大器和掺铒光纤激光器以及掺镱光纤激光器是典型的半导体激光器应用于光纤通信放大器的例子。
综上所述，半导体激光器在光纤通信领域中发挥着重要的作用。
随着其发展不断进步，半导体激光器在功率、波长范围、脉冲性能以及功率放大器等方面的性能都得到了极大的提升。
相信在未来的光纤通信中，半导体激光器将继续发挥着重要的作用，推动光纤通信技术的不断进步。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
半导体激光器的历史状况及应用
摘要在近几十年来,半导体激光技术得到了十分迅速的发展,在现实生活中的很多领域都有十分广泛的应用,而且在未来的生活中也会扮演着重要的角色。
本文主要介绍了半导体激光器的历史现状及现实生活中的应用,以此来说明半导体激光器的重要性。
关键词半导体激光器;历史状况;运用
中图分类号tn248.4 文献标识码a 文章编号
1674-6708(2010)23-0152-01
0 引言
激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱(单、多量子阱) 等多种形式,制作方法从扩散法发展到液相外延(lpe)、气相外延(vpe)、分子束外延(mbe)、金属有机化合物气相淀积(mocvd)、化学束外延(cbe)以及它们的各种结合型等多种工艺[5]。
半导体激光器的应用范围十分广泛,而且由于它的体积小,结构简单,输入能量低,寿命长,易于调制和价格低等优点,使它已经成为
当今光电子科学的核心技术,受到了世界各国的高度重视。
1 半导体激光器的历史
半导体激光器又称激光二极管(ld)。
随着半导体物理的发展,人们早在20世纪50年代就设想发明半导体激光器。
20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器,是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。
在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上,美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶
斯(keyes)和奎斯特(quist)报告了砷化镓材料的光发射现象。
半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器,它是由两种不同带隙的半导体材料薄层,如gaas,gaalas所组成的激光器。
单异质结注人型激光器(shld),它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在gaasp一n结的p区之内,以此来降低阀值电流密度的激光器。
1970年,人们又发明了激光波长为9 000å在室温下连续工作的双异质结gaas-gaalas(砷化稼一稼铝砷)激光器.在半导体激
光器件中,目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式gaas二极管激光器.
从20世纪70年代末开始,半导体激光器明显向着两个方向发展,一类是以传递信息为目的的信息型激光器;另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。
在泵浦固体激光器等应用的推动下,高功率半导体激光器(连续输出功率在100w以上,脉冲输出功率在5w以上,均可称之谓高功率半导体激光器)在20世纪90年代取得了突破性进展,其标志是半导体激光器的输出功率显著增加,国外千瓦级
的高功率半导体激光器已经商品化,国内样品器件输出已达到
600w。
另外,还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。
其中,可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长,可以很方便地对输出光束进行调制。
20世纪90年代末,面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅
速的发展。
目前,垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络,为了满足21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要,半导体激光器的发展趋势主要是向高速宽带ld、大功率ld,短波长ld,盆子线和量子点激光器、中红外ld等方面发展。
2 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。
目前,已经广泛应用于通讯、测距、精密仪器加工,光集成的信息存储和信息处理等。
在光纤通讯中,半导体激光器是光纤通讯系统的唯一实用化的光源,而且光纤通讯已经成为当代通讯的主流。
到如今,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。
在激光测距中,激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确,其误差仅为其它光学测距仪的1/5到数百分之一,因而被广泛用于地形测量,战场测量,坦克,飞机,舰艇和火炮对目标的测距,测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。
在精密仪器加工中,借助q开关半导体激光器产生的高能量超短光脉冲,可以对集成电路进行切割、打孔等。
在光集成的信息存储应用中,人们采用短激光波长读出光盘的内容,采用蓝、绿激光来提高光盘的存储密度。
在信息处理应用中,表面发射半导体激光器二维阵列是光并行处
理系统的理想光源,且用于光计算机和神经网络中。
此外,半导体激光器还运用在环境检测和医疗中。
在环境检测中,通过分析光谱来分析环境气体,从而监测大气污染、汽车尾气等。
在医疗方面,半导体激光除了用于软组织切除,组织接合,凝固和汽化等外,还用于激光动力学治疗,将与肿瘤有亲和性的光敏物质有选择地聚集在癌组织内,通过半导体激光的照射,使癌组织坏死,而对健康组织毫无损害。
3 结论
半导体激光器的波长范围宽,制作简单、成本低、易于大量生产,并且体积小、重量轻、寿命长。
因此,品种发展快,运用十分广泛。
虽然我国半导体激光器的研制和生产技术有了一定的基础,但要与国际上迅速发展的趋势相比,我国还有一些差距,这需要我们刻苦专研,努力创新。
参考资料
[1]张兴,等.微电子学概论[m].北京:北京大学出版社,
2000,1.
[2]刘树林,张华曹,柴常春[m].北京:电子工业出版社,
2005,2.
[3]付燕军,邹文栋,肖慧荣,甘月红.半导体激光器驱动电路的光功率控制的研究[j].红外与激光工程,2005,34(5).
[4]周崇喜,刘银辉,谢伟民,杜春雷.大功率半导体激光器阵
列光束光纤耦合研究[j].中国激光,2004,31(11).
[5]王德,李学千.半导体激光器的最新进展及其应用[j].光学精密工程,2001,9(3).。