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半导体激光器

半导体激光器又称激光二极管,是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异,不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(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。 半导体激光器件,可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件,而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长,并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容,因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点,半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。

半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器,一般是由砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。

半导体激光(Semiconductor laser)在1962年被成功激发,在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良,开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管(Laser diode)等,广泛使用于光纤通信、光盘激光打印机、激光扫描器、激光指示器(激光笔),是目前生产量最大的激光器

激光二极体的优点有:效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%,P-N型也达到数%~25%,总而言之能量效率高是其最大特色。另外,它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围,而光脉冲输出达50W(带宽100ns)等级的产品也已商业化,作为激光雷达或激发光源可说是非常容易使用的激光的例子。

(1)异质结构激光器

(2)条形结构激光器

(3)GaAIAs/GaAs激光器

(4)InGaAsP/InP激光器

(5)可见光激光器

(6)远红外激光器

(7)动态单模激光器

(8)分布反馈激光器

(9)量子阱激光器

(10)表面发射激光器

(11)微腔激光器

半导体激光器工作原理是:通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非 平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种:电注入式、电子束激励式和 光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS(砷化镓)、InAS(砷化铟)、Insb(锑化铟)等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注 入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶(PbS、CdS、ZhO等)作为工作物质,通过由外 部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶(GaAS、InAs、InSb等)作为工作物质,以其它激光器发出的激 光作光泵激励。

目前在半导体激光器件中,性能较好、应用较广的是:具有双异质结构的电注入式GaAs二极管半导体激光器。

半导体激光器优点:体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。

半导体光电器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。半导体材料中存在着导带和价带,导带上面可以让电子自由运动,而价带下面可以让空穴自由运动,导带和价带之间隔着一条禁带,当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时,就把光的能量变成了电,而带有电能的电子从导带跳回价带,又可以把电的能量变成光,这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。材料科学的发展使我们能采用能带工程对半导体材料的能带进行各种精巧的裁剪,使之能满足我们的各种需要并为我们做更多的事情,也能使半导体光电器件的工作波长突破材料禁带宽度的限制扩展到更宽的范围。

激光器的腔体可以有谐振腔和外腔之分。在谐振腔里,激光器的损耗有很多种类,比如偏折损耗,法布里珀罗谐振腔就有较大偏折损耗,而共焦腔的偏折损耗较小,适合于小功率连续输出激光,还比如反转粒子的无辐射跃迁损耗(这类损耗可以归为白噪声)等等之类的,都是腔长长损耗大。激光器阈值电流不过就是能让激光器起振的电流,谐振腔长短的不同可以使得阈值电流有所不同,半导体激光器中,像边发射激光器腔长较长,阈值电流相对较大,而垂直腔面发射激光器腔长极短,阈值电流就非常低了。这些都不是一两句话可以说的清楚的,它们各自的速率方程也都不同,不是一两个式子能解释的。另外谐振腔长度不同也可以达到选模的作用,即输出激光的频率不同。

朗讯科技公司下属研发机构贝尔实验室的科学家们近日成功研制出世界上首款能够在红外波长光谱范围内持续可*地发射光的新型半导体激光器。新设备克服了原有宽带激光发射过程中存在的缺陷,在先进光纤通信和感光化学探测器等领域有着广阔的潜在应用。相关的制造技术可望成为未来用于光纤的高性能半导体激光器的基础。

有关新激光器性质的论文刊登2002年2月21日出版的《自然》杂志上。文章主要作者、贝尔实验室物理学家Claire Gmachl断言:“超宽带半导体激光器可用来制造高度敏感的万用探测器,以探测大气中的细微污染痕迹,还可用于制造诸如呼吸分析仪等新的医疗诊断工具。”

半导体激光器是一种非常方便的光源,具备紧凑、耐用、便携和强大等特点。然而,典型半导体激光器通常为窄带设备,只能以特有波长发出单色光。相比之下,超宽带激光器具有显著的优势,可以同时在更宽的光谱范围内选取波长。制造出可在范围广泛的操作环境下可*运行的超宽带激光器正是科学家们长久以来追求的一个目标。

为了研制出新型的激光器,贝尔实验室科学家们采用了650余种光子学中使用的标准半导体材料,并将其叠放在一起组成一个“多层三明治”。这些层面共分为36组,其中不同层面组在感光属性方面有着细微的差别,并在特有的短波长范围内生成光,同时与其他各组之间保持透明. 所有这些层面组结合在一起,就能发射出宽带激光。

新型激光器隶属于一种称为量子瀑布(QC)激光器的高性能半导体激光器。QC激光器由Federico Capasso和AlfredCho及其同事于1994年在贝尔实验室发明,其操作过程非常类似于一道电子瀑布。当电流通过激光器时,电子瀑布将沿着能量阶梯奔流而下;每当其撞击一级阶梯时,就会放射出红外光子。这些红外光子在包含电子瀑布的半导体共振器内前后反射,从而激发出其他光子。这一放大过程将产生出很高的输出能量。

超宽带激光器可在6~8微米红外波长范围产生1.3瓦的峰值能量。Gmachl指出:“从理论上讲,波长范围可以更宽或更窄。选择6~8微米范围波长发射激光,目的是更令人信服地演示我们的想法。未来,我们可以根据诸如光纤应用等具体应用的特定需求量身定制激光器。”

半导体激光器的常用参数可分为:波长、阈值电流Ith 、工作电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im。

(1)波长:即激光管工作波长,目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、激光二极管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

(2)阈值电流Ith :即激光管开始产生激光振荡的电流,对一般小功率激光管而言,其值约在数十毫安,具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。

(3)工作电流Iop :即激光管达到额定输出功率时的驱动电流,此值对于设计调试激光驱动电路较重要。

(4)垂直发散角θ⊥:激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度,一般在15~40左右。

(5)水平发散角θ∥:激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度,一般在6~ 10左右。

(6)监控电流Im :即激光管在额定输出功率时,在PIN管上流过的电流。

激光二极管在计算机上的光盘驱动器,激光打印机中的打印头,条形码扫描仪,激光测距、激光医疗,光通讯,激光指示等小功率光电设备中得到了广泛的应用,在舞台灯光、激光手术激光焊接激光武器等大功率设备中也得到了应用。

工业激光设备上用的半导体激光器一般为1064nm、532nm、808nm,功率从几瓦到几千瓦不等。一般在激光打标机上使用的是1064nm的,而532nm的则是绿激光。

由于半导体激光器具有结构简单、体积小、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 广泛应用于军事领域,如激光制导跟踪、激光雷达、激光引信、光测距、激光通信电源、激光模拟武器、激光瞄准告警、激光通信和激光陀螺等。目前, 世界上的发达国家都非常重视大功率半导体激光器的研制及其在军事上的应用。

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。半导体激光引信是激光探测技术在武器系统中最成功的应用。

激光制导:它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。

半导体激光制导已用于地-空导弹、空-空导弹、地-地导弹等。激光制导跟踪在军事上具有十分广泛的应用。激光制导的方法之一是驾束制导, 又称激光波束制导。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测到激光信号, 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, 使其沿着波束中心飞行, 直至摧毁目标为止。另一种激光制导方法是光纤制导。通过一根放出的光纤把传感器的信息传送到导弹控制器, 观察所显示的图像并通过同一光纤往回发送控制指令,以达到控制操纵导弹的目的。

激光测距:主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。测距仪采用半导体激光器作光源具有隐蔽性,略加改进, 还可测量车辆之间的距离并进行数字显示, 在低于所需安全系数时发出警报。半导体激光夜视仪和激光夜视监测仪也得到重要应用。利用半导体激光器列阵主动式夜视仪的光源具隐蔽性, 列阵功率高的特点, 可提高监测距离至1 km, 如配上扫描和图像显示装置, 则可成为激光夜视监测仪。用其对目标进行监测时, 目标的活动情况可适时通过光缆传送到指挥所。选择较长的合适波长, 可成为全天候监测仪。

激光雷达:与CO2 激光雷达相比, 半导体激光列阵的激光雷达体积小、结构简单、波长短、精度高、具有多种成像功能及实时图像处理功能, 包括各种成像的综合、图像跟踪和目标的自动识别等。可用于监测目标, 测量大气水气、云层、空气污染; 还可用作飞机防撞雷达, 机载切变风探测相干光雷达, 对来袭目标精确定位以及对直升飞机和巡航导弹的地形跟踪等。半导体激光雷达主要是波长820~850 nm 的LD 及列阵。

激光模拟: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。通过调节激光射束、周期和范围以达到模拟任何武器特征的目的。武器模拟主要使用904 nm 半导体激光器, 用对眼睛安全的激光器作为战术训练系统的基础, 最初称为激光交战系统( LES) 。该系统的研制始于1973 年, 其可行性已得到了证实。1974 年引进了微处理机技术, 于是LES 发展成为多功能激光交战系统(MILES) 。同年,赛罗克斯电光系统公司接受了全套MILES 工程的研制合同, 向陆军提供8 万多套装备, 用于地面作战模拟。此外, 该公司还研制了空对地作战系统以及MILES 空防样机。目前, 全世界有美、英、瑞( 典) 三国出售MILESII/SAWE 系统; 北约国家、以色列、阿根廷、俄罗斯、中国都在开发这种系统。

深海光通信:半导体激光器是一种理想光源, 具有抗干扰、保密性好等优点。激光对潜通信光源蓝绿光是海水的通信窗口( 460~540 nm) , 穿透深度约300 ft, 潜艇可用蓝绿光和卫星或航空母舰进行通信联络。倍频半导体高功率激光器列阵( 波长在920~1080 nm) 就是一种这样的光源。

半导体激光瞄准和告警:瞄准具有两类: 一类以发射红外激光的GaAs激光器为基础, 士兵需佩戴夜视镜才能看清目标上的激光光斑, 以解决夜间士兵的瞄准射击问题; 另一类激光瞄准以发射红色激光和可见光的半导体激光器为基础。美国激光装置公司在20 世纪80 年代推出的FA- 4 型激光瞄准具的重量仅99 g, 长11.4 cm。为满足不同波长激光和可调谐激光器的探测要求, 激光告警的工作波段不断得到拓展, 角分辨率也不断得到提高。

半导体激光通信:半导体激光器在卫星通信技术中只需要较小的望远镜和较低的发射功率, 就能实现光的自由空间传输并获得极高的数据率传输。激光通信技术可用于轨道卫星间的相互通信及卫星与地面站的通信。

军用光纤陀螺:军用光纤陀螺是军用光纤领域中用途最广, 是目标监测和测量方面不可缺少的技术手段。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- 7 rad/s; 动态范围极宽( 约为2 000 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。

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