可调谐半导体激光器研究及进展
半导体激光器的最新进展及其应用现状
文章编号 10042924X(2001)0320279205
半导体激光器的最新进展及其应用现状
王 德,李学千
(长春光学精密机械学院,吉林长春 130022)
摘要:简述了半导体激光器的现状,详细介绍了半导体激光器在激光雷达、激光测距、激光引信、激光制
导跟踪、激光瞄准和告警、激光模拟、激光通信和光纤通信、光纤陀螺以及国民经济等各个领域中的应
用。
关 键 词:半导体激光器;军事应用
中图分类号:TN248.4 文献标识码:A
1 引 言
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。半导体激光器从最初的低温
(77K)下运转发展到室温下连续工作,由小功率
型向高功率型转变,输出功率由几mW提高到kW
级(阵列器件)。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270
余种形式。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。
半导体激光器的应用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、易于调制及价格低廉等优点,使得它目前
在军事领域中应用非常广泛,它作为一种很有潜
力的光源,已受到各国军方的高度重视。以美国
为例,美国国防部、宇航局、各军兵种以及国家实
验室等20多个部门都在为武器装备研制高功率
半导体激光器,使得美国在这一领域处于世界领
先地位[122]。
近年来,高功率半导体激光器阵列器件也得
到了飞速的发展,已推出产品有连续输出功率5W、10W、15W、20W和30W的激光器阵列。脉冲
工作的激光器,峰值输出功率50W、120W、1500W、
半导体激光器的波长调谐和波长稳定技术
第ｌ∞咎 第 期 ２（１１ Ｊ２年１爿 量子电子！学报
Ｃｌｌ【 【 ｒ ＩＯ Ｌ’｝｛＼ＡＬ ０Ｉｖ（ Ｉ’ＡＮ ｒｌ Ｆ】Ｉ，（ ＦＩ｛ＯＮ【（’ ＼ 【１９ Ｎｏ ２ ｆ ｐ ｒ ２００２
文章编号： １０ｆ）７ ５ｔ（Ｉ１ ２ｆ）０２１０２（ ｊ＿＿ｆ
半导体激光器的波长调谐和波长稳定技术
新建互， 王沛， 许立新， 幸江其， 吴云霞， 明海
Ｉ叶１国科学技术大学物理幕 全肥 ２ａ０｛１２（￣；
摘 要 波长调皓和谴长稳定的半导体激光器在光通信荨实际直月１领域有着重要而广泛的应州．本文评述了半
导体澈光嚣的波长调｝昔和渡长稳定技术的几种方案，分析了奠浊长谓喈和溲长稳定的机理 关键词半导体激光嚣 谴长谓皓，渡长稳定
中圈分类号。】Ｎ ２１８ Ｉ 文献标识码：Ｃ
１ 引 言
目前，人类已进入信息社会 光纤通信在信息社会中起着很：重要的作用，在目前的光纤通信系统中，
通过波分复用ｆ ）＾Ｉ 或频分复用【ｒＤＭｊ技术 使用一条光纤传进不同波长ｒ频率）的光信号，可以增加
光信号传输的容 要达到大数艟地传输不同频率的光信号，必须使用目前广受瞩目的密集波分复用技术
１１）、ｖ１）Ｍ）。１１ｗＩ）、１技术简单来流：就是可 在同一条光纤上同 传输多种波长的光。由丁新的复台型波分
结构采用了多个波长来提高通讯容撼，而这些波长又必须尽量落在光纤最低损耗，以及现有光纤放大器增益 的波段范围ｌ＾ｊ，倒如Ｉ ｌ ｉｉｉｉｉ至Ｉ咖（】ｍ 附近，势必造成每个波长的间距变窄，使相对密度提高，即大太提高
通讯容 。密集波分复用技术在现代高速与大容 通讯传输系统县有重要意义。为了使通讯的光波长统一， 国际¨１组织 １ｔ １＂Ｉ１￣１¨ ｌ『 ［￣ｌｅｃｒ『『１ｌ【ｌｌｌ１１… ｔ『［１ｌ Ｌ Ｉ ｌ１ｌｌ 将通讯的波长规范在１ ２五…ｆｌ罕姗 ｌｌＨＩ之间，波
长间的间距为ｎ …ｔｌ…｝ｌｌ（ 【Ｉ ｚ）和ｌ Ｊ … １５０ ㈨ 在密集渡分复用系统中，要求传输信号的激光器波长
TDLAS技术
TDLAS技术
1 光谱学基本概念 .............................................................................................................................. 1
2 光谱的线型函数及谱线加宽 .......................................................................................................... 2
3 甲烷的吸收谱线 .............................................................................................................................. 5
4 TDLAS技术原理 ............................................................................................................................ 5
6 基于TDLAS的气体检测 ............................................................................................................... 8
可调谐激光二极管的分类及特性 ............................................................................................ 8
6.2残余调制光强对气体吸收光谱线型的影响 ...................................................................... 10
可调谐半导体激光吸收光谱法监测二氧化碳的通量
第３１卷，第１期 ２ ０ １ １年１月 光谱学与光谱分析 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．１，ｐｐ１８４—１８７ Ｊａｎｕａｒｙ，２０１１
可调谐半导体激光吸收光谱法监测二氧化碳的通量
宋雪梅，刘建国，张玉钧，曾宗泳，何 莹，崔益本，陈 寅，田勇志，张 亮
中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学中心，中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽合肥２３００３１
摘要含碳温室气体浓度增加所加剧的温室效应是气候变化的重要原因，大面积范围内二氧化碳气体通
量的测量对于评价各类陆地生态系统对大气中主要温室气体浓度的贡献具有重要的意义。可调谐半导体激
光吸收（ＴＤＬＡｓ）光谱技术具有高分辨率、高灵敏度以及快速响应等特点，是痕量气体高灵敏快速监测的新 方法。文章以可调谐分布反馈半导体激光器作为光源，通过波长调制方法对１．５７３ ｍ附近二氧化碳气体某
一吸收线的二次谐波信号测量，结合激光分束技术，实现对不同高度层面７００多米光程范围内二氧化碳气
体浓度的快速在线检测。结合大口径闪烁仪测量出来的莫宁一奥布霍夫长度和特征速度，通过公式计算得到
一天内二氧化碳气体的通量在一１．５～２．５ ｍｇ・（ｍ２・ｓ）－１范围内的波动，突破了目前对近地面痕量气体通
量的监测只能提供局地结果的状况，使大面积范围内痕量气体通量的测量成为可能。
关键词 可调谐半导体激光吸收光谱；二氧化碳浓度；二氧化碳通量
中图分类号：０４７２．３ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—０５９３（２０１１）０１—０１８４—０４
引 言
全球变化已经成为人类最关心的环境问题，它的核心是 气候变化，含碳温室气体浓度增加所加剧的温室效应是气候
变化的主要原因。正确客观的评价各类陆地生态系统对大气
中主要温室气体浓度的贡献是当前全球变化和全球气候、环 境变化研究中的重要内容ｌ＿】Ｊ。
半导体1710激光器
半导体1710激光器
1.引言
1.1 概述
概述
半导体1710激光器是一种重要的光电器件，它利用半导体材料产生激光光束。激光器作为一种具有单色、相干性和高功率密度的光源，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
随着科学技术的不断进步，半导体1710激光器在光通信领域扮演着重要的角色。它能够将电信号转换为激光信号，并通过光纤进行传输，实现高速、远距离的通信。同时，半导体1710激光器具有体积小、功耗低、寿命长等优势，在光纤通信中得到广泛应用。
此外，半导体1710激光器在医疗领域也有着重要的应用。激光器能够产生高能量、高光束质量的激光，可以被用于激光手术、激光治疗等医疗操作。同时，激光器还可以被用于医学影像的获取，如光学相干断层扫描（OCT）技术，能够提供高分辨率的图像，为医生进行准确诊断提供了有力支持。
除此之外，半导体1710激光器还被广泛应用于材料加工领域。利用激光器的高能量和高光束质量，可以实现对物体进行精细切割、打孔、焊接等操作。这些应用广泛应用于汽车制造、电子器件制造、航空航天等领域。
综上所述，半导体1710激光器具有广泛的应用前景和重要的科学价值。本文将重点介绍其工作原理和应用领域，希望通过对半导体1710激光器的深入研究，能够为相关领域的科学研究和工程应用提供有益的参考。
1.2 文章结构
文章结构部分的内容需要介绍文章的整体结构和每个部分的主要内容。可以按照以下方式编写：
文章结构
本文将以半导体1710激光器为主题，分为引言、正文和结论三个部分。
1. 引言
引言部分将概述半导体1710激光器的概念、主要特点和应用领域，并介绍本篇文章的目的和意义。
2. 正文
正文分为两个部分，分别是半导体1710激光器的原理和应用。
2.1 半导体1710激光器的原理
本节将详细介绍半导体1710激光器的工作原理和关键组成部分，包括半导体材料、激光产生机制和获得1710纳米波长的方法等内容。通过对原理的解析，读者将能够理解半导体1710激光器的基本工作过程。
半导体激光器的工作原理及应用之欧阳音创编
欧阳音创编 2021.03.11 欧阳音创编
2021.03.11
欧阳音创编 2021.03.11 欧阳音创编
2021.03.11 目 录
时间：2021.03.11 创作：欧阳音
0 前言2
1 半导体激光器的工作原理2
1.1 激光产生原理2
1.2 半导体激光器的工作特性3
2 同质结和异质结激光器3
2.1 半导体激光器的发展历史3
2.2 异质结激光器的工作过程5
3 半导体激光器的应用7
4 大功率激光器的最新进展9
5结论10
参考文献17
半导体激光器的工作原理及应用
摘要：半导体激光器产生激光的机理，即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。 欧阳音创编 2021.03.11 欧阳音创编
2021.03.11
欧阳音创编 2021.03.11 欧阳音创编
2021.03.11 关键词：受激辐射；光场；同质结；异质结；大功率半导体激光器
Theworking principle of semiconductor lasers
and applications
可调谐激光器
关键词 可调谐激光器 波分复用 光传输
1引言
光通信领域传统的光源均是基于固定波长的激光器模块，随着光通信系统的不断发展及应用推广，固定波长激光器的缺点逐渐显露出来：一方面随着DWDM技术的发展，系统中的波长数达到了数十甚至上百，在需要提供保护的场合，每个激光器的备份必须由相同波长的激光器提供，这样导致备份激光器数量增加，成本上升；另一个方面由于固定激光器需要区分波长，因此激光器的类型随着波长数的增加而不断增加，使得管理复杂程度和存货水平；再有如果要支持光网络中的动态波长分配，提高网络灵活性，需要配备大量不同波长的固定激光器，但每只激光器的使用率却很低，造成资源浪费。针对这些不足，随着半导体及其相关技术的发展，人们成功地研制出可调谐激光器，即在同一个激光器模块上控制输出一定带宽内的不同波长，且这些波长值和间隔均满足ITU-T的要求。
这样，通过使用可调谐激光器作为备份，一个激光器就可以对几个波长甚至整个波段的波长进行备份，从而降低备份成本；由于可调谐激光器不再区分波长，以及其有通用性，从而简化了存货管理和对资金的占用；通过在光网络中部署可调谐激光器，可以根据网络中波长使用的具体情况，动态地选择信号波长，从而以较低的成本实现动态的波长分配和使用，提升光网络的灵活性；此外，具有很调谐速度的可调谐激光器能够支持未来的光分组交换，等等。因此，鉴于可调谐激光器人有以上诸多优势，业内人士普遍认为，可调谐激光器不久将会取代固定波长激光器在光通信领域的地位。
2原理及特点
可调谐激光器从实现技术上看主要分为：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐，具有ns级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较小，基于电控技术的主要有SG-DBR（采样光栅DBR）和GCSR（辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。该技术简单，但速度慢，可调带宽窄，只有几个nm。基于温控技术的主要有DFB（分布反馈）和DBR（分布布喇格反射）激光器。机械控制主要是基于MEMS（微机电系统）技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB（分布反馈）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）等结构。下面从这几个方面可调谐激光器的原理进行说明。
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术在冻干机中的应用方案研究
Zhuangbei Yingyong yu Yanjiu♦装备腹用与研究
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术在
冻干机中的应用方案研究
康青'里e波刘晨阳杨伟宏董刘立3:聪于颖C中菌药科大.攀1C学院* 0：苏，南jl .210000)
摘要:冷冻子燥是一种低温低压下在封闭环境中除去水分的药品生产工艺^艺条件要求较裔6可调谐 半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是一种气体在线监测技术，具有灵敏度高、抗千扰、易于调谐等诸多优点，可 将其运用于冻干机中，在药品生产过程中通过监测水蒸气的升华速率以判断两次于燥过程的终点7提升药品质 焉$现论述了冷冻干燥和TDLAS的一般原理以及国内外近阶段对TDLAS的研究成果，探讨了将两者结合的可 行性，分析了运用TDLAS技术监测水蒸气的优势和难氟并设计出了监测方案。关键词:可调谐半导体激光吸收光谱;冻干机;細；技术方案•，冷冻干燥
0引言
可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode
laser absorption spectroscopy，以下筒称为 TDLAS)
技术是一项较为成熟的气体在线检测技术。目前,
该技术在大气质量检测、有毒气体泄漏遥测、.气体
污染物浓度的测定等方面已得到广泛应用。半导体
激光具有易于调谐、光束强度大、激光相¥性和方
向性良好的特点，使得该项技术在响应度、，灵敏度、
抗干扰能力、测量结果方面均表现良好。更值得一
提的是，TDLAS技术为非侵入式测量，使其祖一些
对于系统完整性要求较高的环境下也可以有出色
发挥《国外已经有学者利用TDLAS的技术优势，将
其应用到冻干机上，实现了对冻干过程的实时在线
监督与爾量，并建立了相应的冻干机实时优化控制
系统.但是，在国内药品冻,工业中，尚未出现 TDLAS技术应用于冻千机的情况。
真空冷冻千燥能使物料在低温低压的状态下
脱水，对于大多数具有热敏性的现代生物药品而
會真空冷冻干燥技术表现出了强大的优势，最主
可调谐半导体激光吸收光谱中的吸光度反演算法研究
第３０卷，第８期 ２ ０ ｌ ０年８月 光谱学与光谱分析 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．８，ｐｐ２２０１—２２０４ Ａｕｇｕｓｔ，２０１０
可调谐半导体激光吸收光谱中的吸光度反演算法研究
许振宇，刘文清 ，阚瑞峰，张玉钧，刘建国，张 帅，束小文，耿 辉，何 莹，汤媛媛
中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，安徽合肥２３００３１
摘要可调谐半导体激光吸收光谱具有高分辨、高灵敏度和快速测量等特点，已经在环境检测、工业过程
检测等方面得到广泛应用。在直接吸收光谱技术中，吸光度曲线以及积分吸光度的确定对于气体浓度反演、
线强校正等都有重要的作用。对激光直接吸收光谱中吸光度和吸光度积分反演算法进行了研究，采用分段
多项式基线拟合方法来消除激光器光强波动的影响，得到吸光度，再用非线性拟合Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ－Ｍａｒｑｕａｒｄｔ算
法进行线形拟合来获取积分吸光度。通过水气吸收谱线的检测对算法进行了验证。
关键词 吸光度；基线拟合；非线性最小二乘法 中图分类号：０４３３．５ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—０５９３（２０１０）０８—２２０１—０４
引 言
可调谐半导体激光吸收光谱（ＴＤＬＡＳ）技术，利用二极
管激光器的波长可调谐和窄带特性，通过电流控制波长扫描
获得气体特征吸收光谱。这种方法具有高灵敏度、响应速度 快等特点，已广泛应用于环境检测、工业过程检测控制等方
面 。 痕量气体检测常用波长调制或频率调制的ＴＤＩ ＡＳ技
术，具有较高的检测灵敏度；而直接吸收光谱技术具有能够
消除光强波动、吸收展宽影响等特点，而且能够不需要标准 气体而通过Ｈｉｔｒａｎ０４数据库ｌ２ 的吸收线强等参数直接反演
得到待测气体浓度。介绍了一种对直接吸收光谱处理得到吸
光度曲线以及积分吸光度的方法。由于处理过程不需进行定 标，可以用于如水汽等难以用标准气体进行标定的气体检
可调谐半导体激光吸收光谱信号的数字滤波算法研究
中文摘要
I 中 文 摘 要
可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是通过检测气体吸收透射光强的变化来获
得待测气体的光谱特征，具有高灵敏度、高分辨率、高选择性、实时响应和非接触式测
量等优点，因此在痕量气体探测领域得到了广泛的应用。然而，TDLAS系统的灵敏度，
尤其是搭载多光程池的TDLAS系统，容易受到标准具效应的影响。
使用数字滤波的方法可以有效抑制标准具效应引起的干涉噪声对光谱信号的影响。
因此，本文使用Airy函数精确的描述了光谱信号中的干涉噪声，并且发现干涉噪声可以
通过小波降噪法和经验模态分解(EMD)降噪法实现有效抑制，并引入了均方根误差来衡
量干涉噪声的抑制情况。通过对haar，fk18，db02和coif1等小波基函数进行滤波，得
到最佳的小波基函数为fk18，最佳分解层数为13层。此外，通过仿真还获得了多次EMD
降噪的降噪次数。
通过傅里叶低通滤波法，多次平均，小波降噪法和多次EMD降噪法分别处理由直
接吸收法和波长调制二次谐波法(WMS-2f) 测得的CO2光谱信号，结果表明只有小波降
噪法和多次EMD降噪法有能力抑制光谱信号中的干涉噪声。通过小波降噪法和多次
EMD降噪法处理后的WMS-2f信号探测极限分别为7 ppm和35 ppm。为进一步验证这
两种降噪法的普适性，我们对不同温度、压强条件下光谱信号分别进行处理，发现小波
降噪法和多次EMD降噪法均可以显著降低光谱中的干涉现象，提高系统的探测灵敏度。
基于现场可编程门阵列(FPGA)的片上系统设计了一种基于近红外吸收光谱的便携
式痕量氨气测量传感器。为了提高气体的吸收光程和抑制氨气吸附性的影响，气体吸收
池使用温度可调的多光程池，其光程长为15 m。通过使用自制的电路系统和集成化光学
系统，使得整个系统的物理尺寸为431816 cm3。为了避免焦化厂烟气中二氧化碳，水
以及其它微量气体的影响，选择1.51 µm附近的氨气吸收线。使用波长调制免校准技术