大功率半导体激光器及其应用资料

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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，