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1、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pn结
2、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
3、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
4、带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理， 这种自发复合的发光称为自发辐射。要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂 的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大。这样在p-n结的局部区域内，就 能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射 而发出激光。半导体激光器外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外 壳上多一个激光输出窗口。夹着结 区的p区与n区做成层状，结区厚 为几十微米，面积约小于 1mm2。半导体激光器的激光调制分为间接调制和直接调制两类。间接调半导体激光器的结构图制是指加载调制信号在激光形成以后进行的
5、，即调制器置于激光谐振腔外，在调 制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过它 时即得到调制。直接调制是指加载的调制信号在激光振荡的过程中进行，以调制 信号的规律去改变振荡的参数，从而达到改变激光输出特性实现调制的目的。由于半导体激光器的体积小、重量轻、结构简单、光波长可调能量低、寿命 较长、易于调制以及价格低廉等优点,使得它已在激光技术中占有显赫的地位 , 它的成功应用已遍及电子学以及激光光谱学等许多重要领域。3、半导体激光器的应用3.1半导体激光器在激光光谱学中的应用激光光谱具有广泛的应用范围,如从分子光谱、等离子物理、高阶谐波产生 的科学应用到大气污染的监测及癌
6、症的诊断等。半导体激光器在激光光谱学中有 较多优势，用于激光光谱学的半导体激光器有一个重要的特点就是可协调性。其 波长可通过改变温度或改变驱动电流来调谐。另外高灵敏度，高选择性可以减少 谱线重叠,增加选择性。半导体激光器还可用调制技术够减少激光的过量噪声。3.2 大功率半导体激光器的军事应用如激光制导跟踪便是从制导站的激光发射系统按一定规律向空间发射经编 码调制的激光束,且光束中心线对准目标 ;在波束中飞行的导弹,当其位置偏离波 束中心时,装在导弹尾部的激光接收器探到激光信号 ,经信息处理后 ,弹上解算装 置计算出弹体偏离中心线的大小和方向,形成控制信号;再通过自动驾驶仪操纵导 弹相应的机构,
7、使其沿着波束中心飞行,直至摧毁目标为止。半导体激光引信是一 种光学引信,属主动式近炸引信的技术范畴。激光引信通过激光对目标进行探测, 对激光回波信息进行处理和计算,判断出目标,计算出炸点,在最佳位置适时引爆。 炸弹一旦未捕获或丢失目标以及引信失灵后,自炸机构可以引爆弹丸自毁。激光 模拟主要是以半导体激光为基础发展起来的新型军训和演习技术。由光纤绕成环 形光路，采用Sagnac干涉原理,检测出随转动产生的两路激光束的相位差，由此得 出转动的角速度。其主要优点是:无运动部件,仪器牢固,耐冲击,抗加速运动;机构 简单，价格低廉;启动时间极短（原理上可瞬时启动）;灵敏度高可达10-7rad/s;动态范
8、 围极宽（约为2000度/秒）;寿命长等。在军用民用光纤通信、光纤制导导弹、制导 鱼类等方面广泛应用。3.3 半导体激光器在医疗上的应用半导体激光器具有体积小、重量轻、成本低、寿命长、波长可选择、输出功 率稳定、电源驱动系统简单等优点,特别适用于医疗设备的制造,其临床应用几乎 覆盖了所有其他类型激光的应用范围。其大体状况如表所示：表1医用半导体激光器的应用状况Tab-1 Applications of semiconductor laser ill medicine彼长/nm运行模式功率医疗应用532CW低功率常规眼底激光光凝术可见光630670CW低功率癌症的光动力学治疗（FDT: Phot
9、）dynamic Therapy）650CW低功率各种急慢性鼻炎：穴位照射， 活血化瘀.抗炎消肿.杀菌止痛等780910CW低功率牙齿、口腔急慢性炎症；血管照射；针灸理疗等810、 830或 980CW高功率外科手术中的汽化，激光手术刀红外光810微脉冲中功率经巩膜睫状体光凝术；阈下光凝800、810脉冲中功率脱毛980脉冲中功率除皱1 450微脉冲中功率去除粉刺、煙疮等；除皱3.4 半导体激光器在数字通信中的应用 半导体激光器在信息的获取，传输，存储和处理以及显示中已得到广泛应用。在数字通信市场,波长为9501550nm的半导体激光器应用广阔。由于受发达国家 的音频和数字通信发展以及东南亚、
10、拉丁美洲等发展中国家新兴工业区加速发展 通信基础设施的影响,光纤通信获得了发展。在今后几年中,日本、北美和德国等 将发展直接至用户的光纤网络,这会使半导体激光器的需求量更大 ,对此类激光 器要求价格十分低廉、传输速率中等、可在-40+80C环境中工作。鉴于通信事 业发展方兴未艾,这类应用的激光器市场将继续有较大的增长。由于光纤通信具 有损耗低、容量大、速率高、抗干扰、保密性强、重量轻、体积小等优点,加之 信息爆炸、多媒体通信及全球网络的发展,光纤迅速成为信息社会的宠儿。光半 导体激光器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 距离的光纤通信用单模光纤和130150nm波长
11、的半导体激光器，空间通信用列阵 半导体激光器。35半导体激光器在激光打印及印刷市场中的应用在激光打印及印刷市场， 半导体激光器需求量处于急剧上升发展阶段。激光 打印机是集机械、电子、光学、化学等边缘性学科的综合技术10-100mW的高功 率半导体激光器件主要用于记录和高速激光打印机。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。柯达公司、杜邦公司等均在致力于 开发此类热敏材料， 因此这方面采用半导体激光器日益增多，此项应用市场也呈 蓬勃发展。4 半导体激光器的发展趋势4.1 半导体激光器的前沿微碟激光器半导体微腔激光器是20世纪90年代初期出现的一种新型结构的半导体激光 器
12、，是目前国内外半导体激光器研究领域的前沿课题微碟激光器是状如碟型的微 腔激光器。微腔激光器运用现代超精细加工技术和超薄材料加工而成，具有高集 成度、低阈值、低功耗、低噪声、极高的响应、可动态模工作等优点，其功耗低 的特点尤为显著，100万个激光器同时工作，功耗只有5W,在光通信、光互连、 光信息处理等方面有广阔的应用前景，可用于大规模光子器件集成电路，并可以 和光纤通信网络和大规模、超大规模集成电路匹配组成光电子信息集成网络，是 当代信息高速公路技术中最理想的光源，也可以和其他的光电子元件实现单元集 成，用于逻辑运算、光网络中的光互连等，因此微碟激光器的研制成功，对推进 光电信息技术的发展具有
13、重要意义，是半导体激光器的一次变革。世界各发达国 家如美国、日本、英国、俄国等都争先开展这方面的研究工作，并取得了一定的 成果。4.2 特殊半导体激光器在未来电视中的应用随着人们生活质量的提高,对图像信号的传送处理的需求也越来越高。德国 耶拿大学应用物理研究所最近开发出一种用特光纤为半导体的半导体激光器,用 于制成高清度微型彩色激光电视机。研制激光电视机是德国的一项高科技项目, 目前的样机由于激光体积较大,还不能满足商品化需要。用新型光纤制成的激光 器,只需伏电池就能产生很高的功率密度,而且无需附加任何冷却装置,激光器的 体积可微型化到一支烟卷大小 ,非常适合作为激光电视机光源,开发袖珍激光电
14、 视机。耶拿大学准备用新型激光器首先开发医疗用微型激光电镜,用于诊断和治 疗癌症。用这种微型激光电镜可精确地辐照癌症部位,而不伤及人体健康组织。 新型激光器也可用于激光照排 ,印制和摄影技术等,而最具有产品市场的是未来 用于生产激光电视机。4.3 半导体激光器在未来的新趋势(1) 高速宽带LD主要是113m和1155卩m波长LD,用于高速数字光纤通信和 微波模拟光信息传输、分配与处理。潜在市场是未来的信息高速公路和军事装备。 高速宽带LD从80年代中期长波长光源商品化后便大量开发，主要通过改进管芯制 作和封装技术(2) 半导体激光器大功率化趋势仍将集中在800nm波段,其次是2m左右。 在80
15、0nm波段，光泵浦源又是重点。其发展趋势：一是侧面发射1cm阵列条堆积组 件。二是开发表面激射的二维阵列。( 3)对于光信息存储而言, 波长越短越有利于聚焦成小光斑, 从而增加信息 存储密度和容量;许多信息系统终端的感光体的感光度也与光源的波长成反比 ; 在显示方面，绿色是基色之一,所以蓝2绿光已成为全色显示的关键。在600nm以上 LD商品化之后，蓝2绿光LD就成了短波长化的主要目标。(4)大功率中红外(35m)LD是目前急需的半导体光源，它在红外对抗、 红外照明、激光雷达、大气窗口自由空间通信、大气监视和化学光谱学等方面有 广泛应用前景。近几年来，中红外LD在工作温度和输出功率提高方面取得了明显 进展， 主要采用一般量子阱和新开发的量子阱结构。半导体激光器在红光和 115“m波段范围以内的技术已十分成熟，大量的商品器件在军、民两用的广大市场上 受到欢迎。随着新型波长（短、长）LD和高性能LD的开发，下世纪半导体LD将涉足 更广泛的两用领域，保持持续高速的市场增长。参考文献1 jianyi zhao; Xin Chen; Ning Zhou; Xiaodong Huang; Wen Liu; United States “Application of Nanoimprint Lithography in Fabrication of Semiconductor Laser”
