半导体激光器的发展与应用综述

NANCHANG UNIVERSITY

题目：半导体激光器的发展与应用

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半导体激光器的发展与应用

摘要：激光技术自1960 年面世以来便得到了飞速发展，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。半导体激光器的独特性能及优点，使其获得了广泛应用。本文就简要回顾半导体激光器的发展历程，着重介绍半导体激光器在日常生活与军用等各个领域中的应用。

关键词：激光技术、半导体激光器、军事应用、医学应用

引言

激光技术最早于I960年面世，是一种因刺激产生辐射而强化的光。激光被广泛应用是因为它具有单色性好、方向性强、亮度高等特性。激光技术的原理是：当光或电流的能量撞击某些晶体或原子等易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态，当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子，以放出多余的能量；而接着，这些被放出的光子又会撞击其它原子，激发更多的原子产生光子，引发一连串的“连锁反应”，并且都朝同一个方前进，形成强烈而且集中朝向某个方向的光。这种光就叫做激光。激光几乎是一种单色光波，频率范围极窄，又可在一个狭小的方向内集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。激光因为拥有这种特性，所以拥有广泛的应用。

激光技术的核心是激光器，世界上第一台激光器是1960年由T.H.梅曼等人制成的第红

宝石激光器，激光器的种类很多，可按工作物质、激励方式、运转方式、工作波长等不同方法分类。但各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。

半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发

明半导体激光器。在1962年7月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，通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）与其他研究人员一道研制出世界上第一台半导体激光器。

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化傢（GaAS、硫化镉（CdS、磷化铟（InP）、

硫化锌（ZnS）等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。自1962年世界上第一

只半导体激光器是问世以来，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高！半导体激光器具有体积小、效率高等优点，因此可广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。

、半导体激光器的发展简史

半导体激光器以半导体材料作为主要工作物质, 利用其在能带间跃迁发光，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，使光发生振荡、反馈，产生光的辐射放大，从而输出激光。

早期的半导体激光器以材料的p-n 结特性为基础，因外观与晶体二极管类似，也常被称为二极管激光器或激光二极管。但那时的激光二极管受到很多实际限制，如只能在77K氐温下以微秒脉冲工作。20世纪60年代初期研制的只能以脉冲形式工作的一种半导体激光器仍然在可预见相关领域有很重要的应用。

而后生产的异质结构半导体激光器，是由两种不同带隙的半导体材料薄层（如GaAs,GaAIAS所组成，最先出现的是单异质结构激光器（1969年），它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsF一N结的P区之内，以此来降低阀值的电流密度，其数值比同质结激光器降氐了一个数量级，但仍不能在室温下连续工作。直至1970年，人们才实现了激光波长为9000Å，可在室温连续工作的双异质结GaAs-GaAIAs （砷化傢一傢铝砷）激光器，如砷化稼一稼铝砷激光器。

1978年出现的世界上第一只半导体量子阱激光器（QWL，大幅度提高了半导体激光器的各种性能。后来，又由于MOCVD,MBE^技术的成熟，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，它的阑值电流氐、输出功率高，频率响应好，光谱线窄，温度稳定性好，电光转换效率较高。

20世纪70年代末开始，半导体激光器主要向两个方向发展，一是以传递信息为目的的信息型激光器；二是以提高光功率为目的的功率型激光器。20世纪90年代，在泵浦固体激光器

等应用的推动下，连续输出功率100W以上，脉冲输出功率5W以上的高功率半导体激光器取得了突破性进展，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出也已达到600W。

20世纪90年代出现的面发射激光器（SEL）是一种在室温下可达到亚毫安的网电流8mW的输出功率和11%的转换效率的半导体激光器。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，且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用。980n m,850nm和780nm 的器件在光学系统中已实现了实用化。

为了满足21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量化以及军用装备的小型、高精度化等需要，半导体激光器在高速宽带LD大功率ID，短波长LD,盆子线和量子

点激光器、中红外LD等方面取得了一系列引人瞩目的成果。

二、半导体激光器的应用

1. 在激光光谱学中的应用

激光光谱是以激光为光源的光谱技术，主要用于分子光谱、等离子物理、高阶谐波产生的

科学应用及大气污染的监测和癌症的诊断等。而选用半导体激光器作为激光光谱学的光源中有较多优势，它体积小，输入能量低，寿命长，可协调性强且价格低廉。例如图1即为

“SPECDILAS—763—OXY"VCSE所探测的氧气的吸收光谱（半导体激光器的工作温度为Top=10C,lset=4.6mA,加32Hz, 10.6mV的锯齿波,256次平均）。可以看出，通过改变工作电流很容易地得到氧气的两个吸收峰，无模式跳跃。

图1用760nm VCS激光器测得的氧气吸收光谱

2. 半导体激光器在光固化成型技术中的应用

光固化成型法（Stereo lithography Appearanee ，简称SLA 是最早出现的快速原型

制造工艺，由于它成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度较高且能够实现比较精细的尺寸成型，在单件小批量精密铸造、概念设计的交流、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等诸多方面广泛应用于航空、汽车、电器、消费品以及医疗等行业得到了广泛应用。其成型原理如图2所示,用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面.这样层层叠加直至构成一个三维实体。

图2光固化成型原理示意图

而紫外半导体激光器技术的发展，为SLA提供了最好的光源，在电光效率、成本、体积、寿命和可靠性等指标上堪称最优，在光谱、谱线宽度、功率等性能方面也完全符合其工艺要求，因此现在进行这种新型光源的研究已成为现实。

3. 半导体激光器在军事领域的应用

伴随激光技术的日趋成熟，半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，它在军事领域也得

到了广泛应用，成为我国国防事业不可或缺的中坚力量。如半导体激光雷达，主要是波长820~850 nm

的LD及列阵。新型半导体激光雷达与被动探测（红外系统）相结合, 具有多种成像功能，包括强度成

像、距离成像和速度成像等，具有先进的实时图像处理功能, 包括各种成像的综合、图像跟踪和目标的自

动识别等。

此外，半导体激光器也在激光测距、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆等方面获

得了广泛的应用。

4. 半导体激光器在医疗上的应用

半导体激光器体积小、成本低、寿命长、波长可选择、输出功率稳定等优点，特别适用于医疗设备，其临床应用几乎覆盖了所有其他类型的激光器的应用范围。如低功率810 nm近红外半导体激光器，由于该波长的激光穿透能力强，屈光间质对它吸收最少，光斑直径可调范围大，是眼科中最常用的热源，可用于治疗青光眼、硅油注入术后难治性高眼压以及视网膜的光凝和固定等；810 nm半导体激光起能够很好被毛囊内黑色素吸收，产生热效应，破坏毛囊，完成脱毛的效果，图3为一半导体激光脱毛仪及其脱毛效果示意图；大功率半导体激光器也广泛应用于肿瘤的激光切割、凝固手术。这些都为人类的健康进一步提供了保障。

腿毛

图3导体激光脱毛仪及脱毛效果示意图

5. 半导体激光器在通信领域的应用

半导体激光器在信息的获取，传输，存储和处理以及显示中也得到广泛应用。21世纪，随着光纤

通信的发展，半导体激光器光作为光纤通信系统中的光源，是关键元件，是整个系统的核心部分，短距离的光纤通信采用单模光纤和130~150nn波长的半导体激光器，空间通信用列阵半导体激光器。全球光纤通信市场前景广阔，因此，半导体激光器的市场前景也是非常好

的。

6. 半导体激光器在激光打印及印刷市场中的应用

激光打印机脱胎于80年代末的激光照排技术，流行于90年代中期。它是将激光扫描技术

和电子照相技术相结合的打印输出设备。较其他打印设备，激光打印机有打印速度快、成像质量高等优点。10-10 Onm的高功率半导体激光器主要用于高速激光打印机。一般为网络化办公打印机,包括新出现的彩色激光打印机（打印速度为12-35p/min）。用激光把资料直接写在印刷板上正成为印刷技术工业的一种发展趋势，不仅节省很多中间环节、降低成本，而且加快了速度，因此此种应用预计会稳定增长，如采用1V二极管激光器64元阵列、用光纤藕合配以透

镜系统。目前多数激光、计算机、印刷系统采用卤素银或光敏有机物的光敏材料。杜邦公司、柯达公司等均在致力于开发此类热敏材料，采用半导体激光器日益增多，此项应用市场也呈蓬勃发展。

图4 一种激光打印机

结论

本文简要介绍了半导体激光器的发展，详细描述了半导体激光器在激光光谱学、光固化快速成型、军事医疗、数字通信、激光打印及印刷市场等方面的应用，可以看出半导体激光器日后一定会得到更加广泛的应用。

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