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1、大功率半导体激光器及其应用,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）在实验室中做成了第一台红宝石(
2、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（汤森),Arthur L.Schawlow（肖洛夫）,Maiman（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。,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
3、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。,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
4、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。这一过程被称为受激辐射,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
5、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
6、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。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
7、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：1mm3寿命长，可达数十万小时 输出波长范围广：0.6-1.1um，23um。易调制：直接调制缺点：发散角大，光束质量差。,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
8、生众多实际问题8nm）或铯（泵浦波长780nm 或 852nm）的碱性蒸汽激光器。任何一个对波导结构折射率的影响都会改变有效折射率。由于采用串联工作的方式，因此工作电流比较小（一般几个安培），供电和散热比较容易，通过小型化设计的光纤耦合模块适合应用于特殊环境下的野外工作，特别是在激光驾束制导，激光夜视等军事应用领域具有广阔的应用前景。丝网印刷中的环氧树脂固化直接带隙和间接带隙半导体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；强折射率导引的掩埋异质结激光器（BH-LD）能带理论:晶体中原子能级分裂激光二极管采用注入电流直接驱动。器件结构，驱动电流密度与
9、热效应共同影响慢轴发散角，长腔长单元器件的慢轴发散角最易控制。微光学系统耦合方法是通过微光学系统(微透镜、微棱镜列阵等)对光束进行整形、变换，再通过非球面透镜聚焦耦合到单根光纤中。大功率半导体激光器及其应用利用自聚焦透镜光纤耦合原理示意图掺杂半导体-p型半导体(B-Si)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。多个短阵列器件集成光纤耦合输出模块结构直接耦合：光纤直接耦合与光纤微透镜直接耦合。第二部分是输出耦合和总的谐振腔损耗的关系腔面膜必须满足以下性质：,2、半导体激光器的分类,半导体激光器通常可以按照半导体材料，发射波长，器件的结构，输出功率进行分类。大功率半导体激光器的
10、种类：单管：宽条形激光二极管Bar条：线列阵激光二极管 叠层：面阵激光二极管,3、激光二极管工作原理,产生的激光条件受激辐射放大光学振荡反馈激光的阈值条件：增益大于损耗半导体激光器的三个问题光增益谐振腔发光效率,半导体物理基础知识,能带理论直接带隙和间接带隙半导体能带中电子和空穴的分布量子跃迁半导体异质结半导体激光器的材料选择,能带理论:晶体中原子能级分裂,晶体中的电子作共有化运动，所以电子不再属于某一个原子，而是属于整个晶体共有晶体中原子间相互作用，导致能级分裂，由于原子数目巨大，所以分裂的能级非常密集，认为是准连续的，即形成能带半导体中电子的能级与金属有本质的区别，在半导体中原子和价电子间
11、的相互作用使价电子分成被禁带相隔的价带和导带。,在金属中，不同的能带交叠形成一个有部分充满电子的能带,单晶Si的二维结构和能带图,Li原子和金属的能带结构图,能带中电子和空穴的分布,掺杂半导体-n型半导体(As-Si),掺杂半导体-p型半导体(B-Si),n型半导体和p型半导体能带图,光的受激辐射、自发辐射和吸收对应的跃迁,直接带隙和间接带隙半导体,直接带隙半导体跃迁几率高，适合做有源区发光材料（如GaAs，InP，AlGaInAs）,间接带隙半导体电子跃迁时：始态和终态的波矢不同，必须有相应的声子参与吸收和发射以保持动量守恒，所以跃迁几率低。（如：Si，Ge等）,4000 W(BPP:30
12、mmmrad)，量子阱增益下降，载流子泄漏和俄歇复合增加载流子被有效的捕捉进量子阱中，使其没必要将掺杂物质掺杂到靠近结处。转换效率高：70%。每层的杂质得到精确限制大功率半导体激光器的光束特点波导的设计利用了折射率n随禁带宽度变化这一特点（禁带宽度增加折射率降低）。广泛应用于光纤与光源、放大器、DWDM模块、泵浦光源等耦合中。缺点：发散角大，光束质量差。串联电阻和非辐射复合影响，层结构的温度上升，使折射率上升。半导体激光单元器件集成光纤耦合输出层结构影响串联电阻和热阻。弱波导有更大的基模尺寸，更低的腔面载荷和更高的输出功率。单管半导体激光器件直接耦合进入光纤1、激光二极管芯片技术直接带隙和间接
13、带隙半导体高质量、低缺陷外延技术，增加腔长，提高输出功率。1 半导体激光单元器件集成光纤耦合输出微光学系统耦合方法是通过微光学系统(微透镜、微棱镜列阵等)对光束进行整形、变换，再通过非球面透镜聚焦耦合到单根光纤中。器件结构，驱动电流密度与热效应共同影响慢轴发散角，长腔长单元器件的慢轴发散角最易控制。,直接带隙半导体能带图,电子吸收光子跃迁到导带上，在价带上就会产生一个空穴。电子空穴对的辐射复合而产生半导体激光器的光增益直接带隙半导体更容易产生辐射。多数的三五族化合物半导体是直接带隙半导体。,半导体激光器的材料选择,发射波长：半导体激光器的波长由禁带宽度决定-晶体材料决定。晶格常数与衬底匹配,半
14、导体激光器的三个问题：光增益、谐振腔、发光效率,3.1 半导体中的光增益,激光二极管采用注入电流直接驱动。pn结加正向电压，空穴将会向n型区移动，电子向p型区移动。在pn结处，电子和空学复合，产生光电子。注入的电荷密度10181019cm-3，产生的光子就会大于损失的光子。,早期激光二极管采用的是GaAs同质结结构。有源层的厚度由扩散长度决定，一般为2m。,双异质结构激光二极管的结构,量子阱结构,单量子阱结构,现代的激光二极管，有源区采用量子阱结构，厚度约为10nm。,多量子阱结构,量子阱作为有源区的几点优势,量子阱外带隙大，注入载流子被限制在QW区域产生反转。由于量子阱很薄，注入电流密度比同
15、质结减少了1000倍。载流子被有效的捕捉进量子阱中，使其没必要将掺杂物质掺杂到靠近结处。辐射复合的效率超过90%，好的材料能达到接近100%。低掺杂导致了很低的内部损失。因此QW结构使长腔激光器有很高的外部效率。（增加腔长来减少热效应和串联电阻）量子阱厚度为10nm。这样的薄层允许材料的晶格常数GaAs有一些失配。将Ga的一部分换成In，波长将会达到1100nm。引入的张力进一步提高了态密度的分布，阈值电流密度大概为200A/cm2。将As换成P，波长范围可扩展到730nm。,几种波长激光二极管的材料组份,3.2 光学谐振腔,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
16、得，它实际是 Bar与单元器件在结构上的折衷优化。光束的强限制因子导致了大的腔面载荷和大的光束发散由于量子阱很薄，注入电流密度比同质结减少了1000倍。德国LIMO公司生产的BTS和HOC透镜组基于激光二极管列阵的多光束耦合量子阱增益下降，载流子泄漏和俄歇复合增加基于激光二极管列阵的多光束耦合（如GaAs，InP，AlGaInAs）1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验室中做成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。其缺点是双曲面透镜制作比较困难，成本高。精确控制每层的元素组分应用领域：工业、军事、医疗、通讯量子阱外带隙大，注入载流子被限制在QW区域产生反转。半导体中电子的能级与
17、金属有本质的区别，在半导体中原子和价电子间的相互作用使价电子分成被禁带相隔的价带和导带。串联电阻和非辐射复合影响，层结构的温度上升，使折射率上升。1 半导体激光单元器件集成光纤耦合输出射以保持动量守恒，所以跃迁几率低。由于量子阱很薄，注入电流密度比同质结减少了1000倍。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。半导体激光单元器件集成光纤耦合输出,垂直波导结构,垂直结构，也就是外延层结构，包括光波导和采用量子阱的PN结。波导的设计利用了折射率n随禁带宽度变化这一特点（禁带宽度增加折射率降低）。QW被镶嵌在高折射率材料的核心区，盖层的折射率比核心区要低。,AlAs：折射率为
18、2.9，禁带宽度2.9eV。GaAs：折射率为3.5，禁带宽度1.4eV。,分别限制异质结（SCH）,垂直波导结构的设计,对于大功率，高效率激光二极管，波导的设计就是对几个不利因素的优化。对于TM模，限制因子：光束的强限制因子导致了大的腔面载荷和大的光束发散 层结构影响串联电阻和热阻。好的墙插效率和热稳定性需要对薄层结构的光波进行优化,810nm外延结构图,有源层是一个张应力GaAsP量子阱结构，厚度为15nm。芯层由Al0.45Ga0.65As组成。盖层为70%的AlAs。随着芯层的厚度增加光束发散角和腔面承受的功率密度会而急剧减小（LOC为大光学腔）。增加腔长可以弥补由于低限制因子对增益的
19、影响，获得高效率激光器,横（侧）向波导,层结构给出了有效折射率的值，这个值接近芯层折射率。任何一个对波导结构折射率的影响都会改变有效折射率。侧向有效折射率发生变化，波导就类似于垂直结构，与通常的波导相似形成了芯层和盖层。,对于大功率激光二极管器，产生一个弱波导。弱波导有更大的基模尺寸，更低的腔面载荷和更高的输出功率。,宽条形激光器,有效折射率随注入电流增加降低。串联电阻和非辐射复合影响，层结构的温度上升，使折射率上升。这两种效应都可改变有效折射率，数值为10-410-3。在阈值处，载流子的影响占主要作用。产生了由于折射率退化而产生的反波导效应。反波导导致了光学损失，在阈值附近效率有轻微下降。在
20、阈值之上，激光器热效应的影响占主要地位。在电流注入区的折射率更高，使得激光器有标准的折射率导引。效率稍有提高，但激光发散角也稍有增长。,折射率导引激光器（Index guide LD）,强折射率导引的掩埋异质结激光器（BH-LD）,弱折射率导引激光器,脊波导激光器（RWG-LD）,改变侧向的层结构，使有效折射率产生变化。其中最容易的办法是在P面刻蚀盖层，将一部分波导层腐蚀，选择低折射率材料代替，如Al2O3或Si3N4，有效折射率将减小。在大功率器件中此结构常被采用作为模式选择过滤器,4.发光效率,F-P激光器的转换效率（插头效率）i 内量子效率，受非辐射复合和载流子泄露影响。第二部分是输出耦
21、合和总的谐振腔损耗的关系第三部分代表了获得注入电流必要电压和的实际电压的关系，包括了由芯片内、外部串联电阻引起的附加电压。第四相描述激光器的工作电流超过阈值电流。,5、制造技术,基本的半导体激光器由晶体衬底上的有源层，注入电流的金属电极，和两个腔面面构成的谐振腔组成。制造激光器需要以下步骤在衬底上进行外延生长表面图形制作，形成绝缘区和导电区解理和腔面镀膜形成谐振腔将芯片固定在热沉上,5.1 外延生长技术,对大功率激光二极管来说半导体三五族外延生长，尤其是GaAs生长至关重要。外延生长方法液相外延：优点是很容易生长很厚的外延层。气相外延（MOCVD)：可精确控制元素组分和沉积厚度分子束外延（MB
22、E）：,根据其内部采用的半导体激光器件类型及其封装形式不同可分为以下几种具体形式间接带隙半导体电子跃迁时：始态和终态的德国的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:激光器的近场宽度，光纤的数值孔径。与周围封装有稳定的机械接触发射波长：半导体激光器的波长由禁带宽度决定-晶体材料决定。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。1 半导体激光单元器件集成光纤耦合输出半导体激光器是唯一能用于弹上引信的激光器，激光近炸引信可以准确地确定起爆点，使弹头适时起爆，激光发
23、射装置与接收装置均置于弹的头部。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。解理和腔面镀膜形成谐振腔半导体激光器通常可以按照半导体材料，发射波长，器件的结构，输出功率进行分类。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。(Fan et al.5 传导热沉封装半导体激光阵列光纤耦合55um的InGaAsP/InP半导体激光器是通讯用半导体激光器光源气体激光器：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。MBE是制造相同器件的另一种方法。基于激光二极管列阵的多光束耦合在阈值处，载流子的影响占主要作用。,MOCVD/MOVPE,M
24、OVPE（metal-organic vapor phase epitaxy)衬底由装片位置A移动到生长位置B。在生长过程中，金属有机化合物和氢化物进入反应室，这些物质分解并沉积在热的基底上。沉积温度通常在600800C MOVPE的生产规模大也是其优势之一。材料的危险和工艺的复杂是MOVPE的缺陷。,MBE,MBE是制造相同器件的另一种方法。与MOVPE不同，MBE采用不同元素的分子束，不采用气体形式。因此，除了对组分，沉积速率和层厚度有良好的控制以外，MBE可提高外延片的纯度。MBE的不足之处是设备的成本和层均匀与分子束相互依赖限制了大规模生产。,大功率半导体激光器对外延的要求,精确控制掺
25、杂水平精确控制每层的元素组分每层的杂质得到精确限制控制生长层的能力（从单原子层到几微米）在生长条件下有改变化合物组分的能力有好的可重复性和均匀性,5.2、器件工艺,光刻：在半导体层上的刻槽限制电流横向扩散和防止在垂直于传播方向上产生激光。淀积绝缘层：限制电流注入区金属化：形成P型、N型的金属接触。解理：构成了谐振腔,光刻,介质膜的沉积,介质膜经常用PECVD（plasma-enhanced chemical vapor deposition等离子体增强化学气相淀积）方法进行沉积,金属化,金属区必须满足：有效将电流注入到半导体中在整个接触面积上有很好的电流扩散良好的导热性，可以很好地将器件产生的
26、废热排除与周围封装有稳定的机械接触,P面溅射TiPtAu减薄N面 TiAu,5.3、腔面镀膜,腔面膜必须满足以下性质：稳定的化学和机械特性好的粘附性机械应力较低在激射波长处有较高的透明度光学特性可调,5.4、封装,芯片的封装主要是将芯片高质量地装配在热沉上，同时保证有效的电接触和热接触。高功率半导体激光器的封装：有效降低芯片工作时废热的积累，提高激光器的输出功率和工作寿命。芯片焊接技术高效冷却技术组装技术,芯片焊接技术,铟焊工艺：铟焊料在高电流下易产生电迁移和电热迁移的问题，影响半导体激光器的稳定性。AuSn焊工艺金锡焊料不能像铟焊料那样有效地释放热应力，巴条和热沉之间增加了热膨胀系数匹配的缓
27、冲层,不同焊料封装激光器加速寿命测试对比曲线,半导体激光单元器件集成光纤耦合输出三、大功率半导体激光器研究进展载流子被有效的捕捉进量子阱中，使其没必要将掺杂物质掺杂到靠近结处。光纤通讯领域是半导体激光器应用的最大市场好的墙插效率和热稳定性需要对薄层结构的光波进行优化（1）光纤列阵耦合方法将Ga的一部分换成In，波长将会达到1100nm。量子阱外带隙大，注入载流子被限制在QW区域产生反转。1962年，美国，同质结GaAs半导体激光器，液氮温度下脉冲工作。将Ga的一部分换成In，波长将会达到1100nm。22，200m芯径光纤单模块输出400W缺点：光纤束直径较大，功率密度较低。低压大电流恒流电源
28、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2007年，德国DILAS公司，NA=0.其缺点是双曲面透镜制作比较困难，成本高。有好的可重复性和均匀性单晶Si的二维结构和能带图808 976nm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。自聚焦透镜Grin Lens：又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。,高效冷却技术,传导冷却膨胀系数匹配微通道热沉,组装技术,水平封装阵列垂直封装阵列,6、半导体激光器光纤耦合技术,一种新型的封装形式改善光束质量便于应用光纤耦合器件的优点体积小、重量轻、亮度高等；可绕性好、孔径小、损耗低及改
29、善光场分布。应用领域通讯、医疗、材料处理、泵浦固体激光器、激光测距、激光制导、激光夜视等。,大功率半导体激光器的光束特点,输出光束极不对称输出光束存在很大像散,光纤耦合技术,根据光束的数量的不同分为:单光束耦合:利用单发射区激光器与光纤耦合的技术称作单光束耦合技术.多光束耦合:采用利用多只单发射区激光器激光束合束后耦合进光纤输出的技术称作多光束耦合技术。,6.1 单光束耦合,单光束耦合系统可以分为两类：直接耦合：光纤直接耦合与光纤微透镜直接耦合。间接耦合：采用分立的小型或微型光学元件构成的间接耦合；,直接耦合,（1）LD与多模光纤的直接耦合,(a)平行于pn结平面,(b)垂直于pn结平面,直接
30、耦合示意图,耦合效率理论计算曲线,影响耦合效率的因素：调整精度、光纤端面的加工精度等工艺因素。激光器的近场宽度，光纤的数值孔径。在发光区不变的情况下，光纤数值孔径的减小耦合效率迅速降低。大功率LD在垂直于pn方向的近场宽度很小，因此LD与多模光纤的直接耦合效率较低。,（2）光纤微透镜直接耦合,采用一定加工工艺把光纤端面制作成一定大小和形状的微透镜，直接对向大功率半导体激光器的发光面，使半导体激光器的光束高效耦合进光纤中。常用的光纤微透镜形式有半球形、圆锥形、锥端球面形、椭双曲面形、楔形等。特点：光纤微透镜的尺寸不大于光纤直径，相比分立微光学元件构成的光学耦合系统，光纤微透镜直接耦合有着灵活方便
31、，易于集成封装，制作效率高等优点。广泛应用于光纤与光源、放大器、DWDM模块、泵浦光源等耦合中。,典型的透镜光纤耦合系统,透镜光纤的加工方法,（a）蚀刻法,（b）熔拉法,（c）研磨抛光法,（d）激光切削法,研磨法加工的光纤微透镜实例,间接耦合,由分立微光学元件构成的光学耦合系统：球透镜柱透镜自聚焦透镜双曲面透镜组合透镜特点是可以最大限度地降低反射损耗、消除像差的影响、改善光束非圆对称性，实现高效率的耦合。,（1）微柱透镜的光纤耦合,利用圆柱微透镜对半导体激光器光束进行准直或聚焦提高光纤耦合效率通常采用一段大数值孔径的光纤代替圆柱微透镜，制作简单、成本低廉。,利用圆柱透镜光纤耦合原理示意图,（2
32、）自聚焦透镜光纤耦合,自聚焦透镜Grin Lens：又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。具有聚焦和成像功能,利用自聚焦透镜光纤耦合原理示意图,（3）双曲面微透镜的光纤耦合,为了提高耦合效率不仅需要对LD输出光束快轴方向进行聚焦准直，有时还需要对慢轴方向准直聚焦。一种具有双曲率半径结构的微透镜，可对半导体激光器输出光束的快轴和慢轴同时聚焦，并与多模光纤耦合。,双曲面透镜结构示意图,双曲面透镜耦合原理,（4）组合透镜光纤耦合,利用组合透镜光纤耦合示意图,各种耦合方法的比较,自聚焦透镜和圆柱透镜结构最简单、调整方便，但耦合效率相对比较低；组合透镜方法效率比较高，但结构
33、复杂，调整比较困难。双曲面透镜法，结构简单调整方便，耦合效率高。其缺点是双曲面透镜制作比较困难，成本高。,6.2 多光束光纤耦合技术,将多个激光二极管或激光二极管阵列的输出光束耦合进光纤中多光束耦合技术。基于激光二极管列阵的多光束耦合技术基于多只单管串联的多光束耦合技术,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:射以保持动量守恒，所以跃迁几率低。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.载流子被有效的捕捉进量子阱中，使其没必要将掺杂物质掺杂到靠近结处。用于基
34、础研究和军事方面的激光器仍然有适度增长，尤其在中红外对抗测距及激光雷达方面。大功率半导体激光器在激光医疗中也具有很重要的应用，如激光手术刀、光能治疗、激光针灸、脱毛和除发。对于大功率激光二极管器，产生一个弱波导。波矢不同，必须有相应的声子参与吸收和发1、激光二极管芯片技术630 690nm德国：OSRAM，JOLD，Frauhorf单色性强：从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色光的谱线宽度约为10-2纳米，而氦氖激光器发射的632.自聚焦透镜Grin Lens：又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。特点：光纤微透镜的尺寸不大于光纤直径，相比分立微光学元件构
35、成的光学耦合系统，光纤微透镜直接耦合有着灵活方便，易于集成封装，制作效率高等优点。好的墙插效率和热稳定性需要对薄层结构的光波进行优化发射波长：半导体激光器的波长由禁带宽度决定-晶体材料决定。能带中电子和空穴的分布芯片的封装主要是将芯片高质量地装配在热沉上，同时保证有效的电接触和热接触。在整个接触面积上有很好的电流扩散4000 W(BPP:30 mmmrad)，,基于激光二极管列阵的多光束耦合,由于激光二极管列阵上的发光单元本身发光区几何尺寸的不对称，并且在平行pn结方向上集成了数十个发光单元，激光二极管列阵的输出光束在垂直pn结方向(快轴方向)的光束质量因子和平行pn结方向(慢轴方向)的光束质
36、量因子相差很大。因此，必须采用光束整形技术对光束进行对称化处理。光纤列阵耦合方法微光学系统耦合方法,（1）光纤列阵耦合方法,光纤列阵耦合方法是通过微光学系统将激光器列阵各发光单元与数目相同的光纤列阵一一对准、耦合，在光纤另一端集束输出。,特 点,光纤列阵耦合方式中，光纤列阵需要精密排列，排列周期应等于激光二极管列阵的单元周期，因此需要加工特殊设计的精密V形槽或U形槽列阵，用以排列固定光纤列阵。优点：耦合光纤系统相对简单，成本低。缺点：光纤束直径较大，功率密度较低。,（2）微光学系统耦合方法,微光学系统耦合方法是通过微光学系统(微透镜、微棱镜列阵等)对光束进行整形、变换，再通过非球面透镜聚焦耦合
37、到单根光纤中。,常用耦合方法,微透镜阵列耦合 微棱镜列阵耦合 阶梯式微型反射镜耦合,光纤耦合微透镜光学组件,德国LIMO公司生产的BTS和HOC透镜组,BTS结构示意图,微棱镜列阵耦合,阶梯式微型反射镜耦合,特 点,这些方法通过微透镜、微棱镜列阵等，对光束进行整形、变换，将列阵器件中各发光单元的输出光束变换为平行光束，再通过非球面透镜聚焦耦合到单根光纤中。然而，像微棱镜、微阶梯平面镜等光学系统的调试都比较复杂，实际应用比较困难。,高功率光纤耦合模块,基于多只单管串联的多光束耦合技术,采用多光束耦合技术的另一条技术途径就是利用多只单管芯器件串联，通过光学系统将多路光束合束并耦合到单根纤中输出。采
38、用这种方法输出光纤芯径，亮度高，光束质量好。由于采用串联工作的方式，因此工作电流比较小（一般几个安培），供电和散热比较容易，通过小型化设计的光纤耦合模块适合应用于特殊环境下的野外工作，特别是在激光驾束制导，激光夜视等军事应用领域具有广阔的应用前景。,多光束合束方式,从理论上讲，所有的非相干多光束合束，根据所遵循的基本物理原则主要有三种方式：空间合束偏振合束波长合束,半导体激光器多束合成示意图,三、大功率半导体激光器研究进展,半导体激光器特点：体积小、寿命长、高效率。应用领域：工业、军事、医疗、通讯大功率半导体激光器技术取得的突破：超高峰值功率超高电光效率低发散角高亮度高特征温度窄谱线宽度高可靠
39、性波长稳定基横模工作等,成熟的半导体材料外延技术波导结构的优化腔面钝化技术高效的冷却和封装技术,国内外现状,美国掌握核心技术，德国拥有应用市场。美国：Coherent，IMC，SDL，HPD，Spectrum-Physics德国：OSRAM，JOLD，Frauhorf法国：THALES日本：SANYO，SONY俄国：ATC波长：630nm-1550nm功率：1W-10KW国内核心技术比较落后，应用领域发展迅速北半、长春光机所、长春理工大学、电子13所、北工大等,1、激光二极管芯片技术,应变量子阱结构被广泛采用，降低器件的阈值电流密度和扩展GaAs基材料系的波长覆盖范围，采用无铝有源区提高端面光
40、学灾变损伤光功率密度宽波导大光腔结构。增加输出功率，光束发散角，改善器件的光束质量。采用非对称波导结构减小器件的光损耗提高电光转换效率。高质量、低缺陷外延技术，增加腔长，提高输出功率。腔面钝化技术介质膜钝化技术非吸收窗口技术真空解理技术,2、远场发散角控制技术,对于半导体激光器，以激光光束的光参数乘积（BPP）作为光束质量的衡量指标快轴发散角大光腔、低限制因子的方法获得低发散角。实用化器件3050慢轴发散角器件结构，驱动电流密度与热效应共同影响慢轴发散角，长腔长单元器件的慢轴发散角最易控制。慢轴发散角（95%能量范围）由原来的10 12 降低到7 左右。,3、高温特性,部分能量转换成“废热”，
41、使节温升高,阈值升高斜效率下降转换效率降低,量子阱增益下降，载流子泄漏和俄歇复合增加,为了保持输出功率不变，加大驱动电流,产生更多的“废热”，节温进一步上升,The Lasertel Company has presented the development of high-temperature 8xx-nm diode laser bars for diode laser long-pulse(10 milliseconds)pumping within a high-temperature(130 C)environment without any cooling.(Fan et al.
42、,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Bar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/bar940 nm，1010W/bar980 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
43、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
44、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
45、，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
46、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
47、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
48、W(BPP:100 mmmrad)。,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,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
49、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，焊接材料的厚度为0.12.5mm功率为3003000W，光束质量为
50、40150mmmrad，光斑大小为0.41.5mm，。大功率半导体激光器焊接的优点热量输入低，零件的扭曲变形小可进行高速焊接，焊缝光滑美观非常适合工业焊接的不同需要，它将逐渐取代传统的焊接方法。,泵浦光源,半导体激光器泵浦固体激光器(DPSSL)是大功率半导体激光器应用最多的领域。作为泵浦光源，半导体激光器有着其它光源不可取代的优越性。,激光医疗及美容,大功率半导体激光器在激光医疗中也具有很重要的应用，如激光手术刀、光能治疗、激光针灸、脱毛和除发。,不同波长大功率半导体激光器应用,军事应用：,（1）激光雷达（2）激光制导（3）激光测距（4）激光引信,激光雷达,激光雷达是传统雷达技术与现代激光技
