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1、大功率半导体激光器及应用 概 述 一、激光 二、半导体激光器 三、大功率半导体激光器研究进展 四、半导体激光器的典型应用 五、半导体激光器市场及发展前景 一、激 光 激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技 术,并列为二十世纪最重要的四大发现。是人 类探索自然和改造自然的强有力工具。 与电子电力技术、自动化测控技术的完美结合 ,使激光技术能够更好的为人类创造美好生活 。 1、激光的概念 激光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ,LASER)一词是受激辐射光放大。 1960年,美国物理学家梅曼(Maiman)在实验室中
2、做 成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。 我国于1961年研制出第一台激光器(长春光机所,长春 光机学院) 从此以后,激光技术得到了迅速发展,引起了科学技术 领域的巨大变化。 Charles H. Townes Charles H. Townes (汤森(汤森 ) ) Arthur L. Schawlow Arthur L. Schawlow (肖洛夫)(肖洛夫)Maiman Maiman (梅曼)(梅曼) 原子和能级 按量子力学理论,原子具有的能量是随原子种类不同而 不等的离散性数值,可以用电子的动能和势能之和表达 。 原子能量的任何变化(吸收或辐射)都只能在某两个定 态之间进行。原
3、子的这种能量的变化过程称之为跃迁。 三种类型的跃迁:吸收、自发辐射和受激辐射。 E1 E3 E2 光子的吸收 一个原子开始时处于基态E1,若不存在任何外来影响, 它将保持状态不变。如果有一个外来光子,能量为hv, 与该原子发生相互作用。且hv=E2-E1,其中:E2为原子 的某一较高的能量状态-激发态。则原子就有可能吸收这 一光子,而被激发到高能态去。这一过程被称之为吸收 。 只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时 ,光子才能被吸收。 E1 E3 E2 hv E1 E3 E2 自发辐射 处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短( 数量级约为10-8s),会自发地返回
4、基态去,同时放出一个光子。 这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程,叫做自 发辐射。 hv 自发辐射示意图 E1 E3 E2 自发辐射的特点 这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进 行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等 都不同。不同光波列是不相干的。 例如霓虹灯管内充有低压惰性气体,在管两端加上高电 压来激发气体原子,当它们从激发态跃迁返回基态时, 便放出五颜六色的光彩。 受激辐射 激发态的原子,受到某一外来光子的作用,而且外来光 子的能量恰好满足hv=E2-E1,原子就有可能从激发态E2 跃迁至低能态E1,同时放出一个与外来光子具有完全相 同状态的光子。这一
5、过程被称为受激辐射 E1 E2 hv E1 E2 hv hv 受激辐射示意图 2、产生激光的必要条件 粒子数反转:选择具有适当能级结构的工作物质,在工 作物质中能形成粒子数反转,为受激辐射的发生创造条 件; 光学谐振腔:选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产 生受激辐射光束的方向、频率等加以选择,从而产生单 向性、单色性、强度等极高的激光束; 一定的阈值条件:外部的工作环境必须满足一定的阈值 条件,以促成激光的产生。 3、激光的特点 方向性好:激光是沿一条直线传播,能量集中在其传播方向上。其 发散角很小,一般为10-510-8球面度。 单色性强:从普通光源(如钠灯、汞灯、氪灯等)得到的单色光的
6、谱线宽度约为10-2纳米,而氦氖激光器发射的632.8纳米激光的谱线 宽度只有10-9纳米。 亮度高:一台普通的激光器的输出亮度,比太阳表面的亮度大10亿 倍。 相干性好:普通光源(如钠灯、汞灯等)其相干长度只有几个厘米 ,而激光的相干长度则可以达到几十公里,比普通光源大几个数量 级。 4、激光器的种类 按工作物质的性质分类 气体激光器:氦一氖气体激光器,方向性好,单色性好,输出功率 和波长能控制得很稳定。 固体激光器:典型代表有Nd3+:YAG,能量大、峰值功率高、结构紧 凑、牢固耐用等优点。 半导体激光器:以半导体为工作物质,常用材料有GaAs、InP等。 具有小型、高效率、结构简单等优点
7、 液体激光器:有机化合物液体(染料)和无机化合物液体激光器, 波长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短的超短脉冲、可获得窄的 谱线宽度。 l按工作方式区分 连续型 脉冲型 5、其它激光器 光纤激光器 化学激光器 气动激光器 色心激光器 自由电子激光器 单原子激光器 X射线激光器 二、半导体激光器 1962年,美国,同质结GaAs半导体激光器,液氮温度下脉冲工作 。 1967年,液相外延的方法制成单异质结激光器,实现了在室温下脉 冲工作。 1970年,美国的贝尔实验室制成了双异质结半导体激光器,实现了 室温连续工作。 70年代以后。量子阱技术、MBE、MOCVD新型外延技术-量子阱 激光器(阈值电流
8、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:10 milliseconds) pumping within a high-temperature (130 C)environment without any cooling.( Fan et al., 2011) 4、标准Bar条阵列发展现状 伴随着高质量、低缺陷半导体材料外延生长技术及腔面钝化技术的 提高,现有Bar的腔长由原来的0.61.0 mm增大到2.05.0mm, 使得B
9、ar输出功率大幅度提高。 2008年初,美国光谱物理公司。5 mm腔长,填充因子为83%双面 微通道热沉冷却,当前实验室最高 Bar连续功率输出水平。 808 nm, 800 W/bar 940 nm,1010W/bar 980 nm,950 W/bar 德国的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等也相续制备获得千瓦 级半导体激光阵列,在现有技术条件下制备获得1.5kW/bar阵列器件已不 成问题。 制约因素 低压大电流恒流电源的高成本问题:在工程运用中,数 伏电压数百安电流的组合会产生众多实际问题 微通道热沉散热寿命短的问题 新型高效散热技术如相变冷却、喷雾冷却以及微热管技 术由于其
10、性能特点、成本以及结构兼容性问题在短期内 难以真正实用于Bar散热领域。 不再一味追求提高Bar的输出功率,逐渐将发展重点转 移到大功率、高光束质量的半导体激光单元器件和短阵 列器件研制。 5、单元器件发展现状 半导体激光单元器件具有独立的电、热工作环境,避免 了发光单元之间的热串扰,使其在寿命、光束质量方面 具有明显优势。 驱动电流低:降低了对驱动电源的要求 发热量相对较低:传导热沉散热,提高可靠性。 IPG、JDSU公司等90100 m条宽单管器件 9XX nm波段,连续输出2025 W/emitter; 8XX nm波段,连续输出12W/emitter。 寿命大于10万小时。 6、短阵列
11、器件发展现状 短阵列器件(mini-bar)是在同一芯片衬底上集成数个 单元器件而获得,它实际是 Bar与单元器件在结构上的 折衷优化。 2009年,德国Osram与DILAS公司合作,利用5个100 m条宽、4 mm腔长980 nm发光单元的短阵列器件(填 充因子10%),CW功率大于80W,转换效率高于60%, 发光单元功率16W/emitter。 寿命与单元器件相当。 7、高亮度光纤耦合模块 半导体激光器件功率的增大与发散角的降低促进了大功率半导体激 光器光束质量的迅速提高,直接体现在光纤耦合输出半导体激光模 块尾纤直径的减小以及出纤功率的不断增大。 根据其内部采用的半导体激光器件类型及
12、其封装形式不同可分为以 下几种具体形式 半导体激光单元器件集成光纤耦合输出 半导体激光短阵列器件集成光纤耦合输出 微通道热沉封装结构半导体激光阵列堆光纤耦合输出 传导热沉封装半导体激光阵列光纤耦合输出 7.1 半导体激光单元器件集成光纤耦合输出 单管半导体激光器件直接耦 合进入光纤 体积小、成本低、寿命长、 技术成熟。 810W/module 利用多个单元器件,合束, 聚焦耦合进光纤 2009年,美国Nlight,14个 单元器件,NA=0.15, 105m芯径光纤,输出100 W,耦合效率71%。 7.2 短阵列器件集成光纤耦合输出 利用多个短阵列器件,在快轴方向上紧密排列,经偏振 合束,聚
13、焦耦合进光纤。 2007年,德国DILAS公司,NA=0.22,200 m芯径光纤 ,输出500 W,耦合效率83%。 多个短阵列器件集成光纤耦合输出模块结构 7.3 微通道热沉封装半导体激光阵列堆光纤耦合 微通道热沉封装结构的半导体激光阵列堆经快、慢轴准 直,空间集成,快慢轴光束均匀化,然后聚焦耦合进入 光纤 NA=0.22,200m芯径光纤单模块输出400W 亮度较高,光学元件少,结构简单,但成本较高,使用 维护要求高,寿命较短 7.5 传导热沉封装半导体激光阵列光纤耦合 多个传导热沉封装结构半导体激光阵列输出光束经快、 慢轴准直后空间集成后直接通过聚焦耦合系统进入光纤 。 德国DILAS
14、公司,NA=0.22,200 m芯径光纤,输出 200 W;400m芯径光纤,输出500 W,耦合效率约为 80%。 光学元件少、结构简单、寿命较长、免维护、成本低等 。 在直接工业应用的高功率高光束质量半导体激光器方面 ,通过波长合束技术与偏振合束技术,在输出光束质量 不变的情况下,根据合束波长的个数而倍增输出功率。 德国的Laserline公司技术较为领先,采用微通道封装Bar Stack集成获得从数百瓦至万瓦级高功率、高光束质量激 光加工系统: 2000 W (BPP:20 mmmrad), 4000 W(BPP:30 mmmrad), 10000 W (BPP:100 mmmrad)。
15、 8、高功率高光束质量半导体激光器 四、半导体激光器的典型应用 l主要应用领域 (1) 通信与光储存 (2) 材料加工 (4) 泵浦光源 (5) 激光医疗及美容 光通信 光纤通讯领域是半导体激光器应用的最大市场 1.3um和1.55um的InGaAsP/InP半导体激光器是通讯用 半导体激光器光源 0.98um和1.48um LD是掺铒光纤放大器的泵浦源,掺铒 光纤放大器可用作光发射机的功率放大、线路放大、无 再生中继、接收机的前置放大等。 光信息存储 红光半导体激光器,目前最大的应 用是光信息的存取。如用于CD、 VCD、DVD读写光头、条形码扫描 是目前最大的市场。 蓝、绿光波段的半导体激光器, 高容量信息存储 全彩色显示 对潜通信。 材料加工 激光熔覆 对耐磨性及耐腐蚀性要求较高的金属零件进行表面热处理或局 部熔覆,重要应用。 用于激光熔覆与表面热处理的半导体激光器 功率:16kW 光束质量:100400mmmrad 光斑大小:22mm2 用半导体激光器光束进行熔覆与表面热处理的优势 电光效率高 材料吸收率高 使用维护费用低 光斑形状为矩形 光强分布均匀等。 广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、机械等工业领域。 不同熔覆方法的比较 材料加工 半导体激光器在焊接领域的应用 汽车工业精密点焊 热传导焊接 管道的轴向焊接。 用于薄片金属焊接的半导体激光器,