980nm激光器(980nm激光器半导体)

980nm泵浦激光器

激光技术的使用正变得越来越流行。我们来谈谈半导体激光器的主体。激光技术于1960年首次引入。它是一种通过辐射刺激而增强的光。激光具有单色性好，方向性强，亮度高的特点，因此被广泛使用。激光技术的原理是：当光或电流的能量撞击某些晶体或原子及其他易感物质时，其原子电子将达到激发的高能态，而当这些电子想返回到平静的低能态时，原子将发射光子以释放多余的能量。然后，这些发出的光子将撞击其他原子，激发更多的原子以产生光子，触发一系列“链反应”，并且所有光子都沿相同方向移动，从而在特定方向上形成强而集中的光。

这种光称为激光。激光几乎是具有很窄频率范围的单色光波，并且可以将高能量集中在一个狭窄的方向上，因此聚焦的激光束可以用来打孔各种材料。由于其特性，激光器​​具有广泛的应用范围。

激光技术的核心是激光。世界上第一台激光器是TH Mayman等人于1960年制造的第一台红宝石激光器。激光器的类型很多，可以基于工作物质，激发模式，工作模式，工作波长等。但是，各种激光器的基本工作原理是相同的。产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和大的增益大于损耗。因此，该设备必不可少的组件具有激励（或泵送）源，并且对于稳态能级，工作介质有两个部分。半导体物理学的飞速发展和随之而来的晶体管的发明促使科学家最早在1950年代发明了半导体激光器。 1962年7月，麻省理工学院林肯实验室的两位学者Keyes和Quist报告了砷化镓材料的发光现象。 Hall）与其他研究人员合作开发了世界上第一台半导体激光器。

半导体激光器是一种使用半导体材料作为工作物质的激光器。由于材料结构的不同，产生激光的具体过程很特殊。常用的材料是砷化镓（GaAs），硫化镉（CdS），磷化铟（InP），硫化锌（ZnS）等。自1962年推出世界上第一台半导体激光器以来，经过数十年的研究，半导体激光器取得了惊人的发展。它的波长范围从红外，红光到蓝绿光。性能参数也得到了很大的提高！半导体激光器具有体积小，效率高的优点，因此可以广泛用于激光通信，印版制作和光学信息处理中。

半导体激光器的发展简史

世界上第一台半导体激光器于1962年问世。经过数十年的研究，半导体激光器取得了惊人的发展。它的波长范围从红外线，红光到蓝绿色光。覆盖范围逐渐扩大，各种性能参数也得到了极大的改善。其生产技术已从扩散法扩展到液相外延（LPE），气相外延（VPE），分子束外延（MBE），MOCVD方法（金属有机化合物气相沉积），化学束外延（CBE）及其各种类型组合和其他过程。

激射关闭电流从几百mA降低到几十mA，直至亚mA，其使用寿命从最初的低温开始几百到几万小时，甚至一百万小时（ 77K）运行到开发不断工作。输出功率从几毫瓦增加到千瓦（阵列设备）。它具有效率高，体积小，重量轻，结构简单，可以将电能直接转换为激光能量，并具有很高的功率转换效率（超过10％，最大可达50％）。它具有直接调制，省电等优点，因此应用领域正在扩展。目前，固定波长半导体激光器的数量是所有激光器中的第一。在某些重要应用领域中常用的其他重要激光器已逐渐被半导体激光器取代。

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1960年代初期的半导体激光器是同质结激光器，它们是在材料上制造的pn结二极管。在正向大电流注入下，电子被连续注入P区域，空穴被连续注入1“ 1区域。因此，载流子在原始pn结耗尽区的分布相反。迁移速度比迁移速度快。在某些条件下，辐射和复合发生在有源区，发出荧光并产生激光，这是只能以脉冲形式工作的半导体激光器。

半导体激光器的第二个发展阶段是异质结构半导体激光器，由两层带隙不同的半导体材料薄层组成，例如GaAs。最早出现的是一台异质结构激光器（1969年）。单异质结注入激光器（SHLD）使用异质结提供的势垒将注入的电子限制在GaAsP-N结的P区域内，从而降低了阈值电流密度，该阈值电流低于同质结激光器的阈值电流密度。单个数量级的异质结激光器在室温下仍然不能连续工作。

1970年，实现了波长为9000A并在室温下连续运行的双异质结caAs-GaAlAs（GaAs-GaAlAs）激光器。双异质结激光器（DHL）的诞生不断扩大了可用带宽，并逐渐改善了线宽和调谐性能。其结构的特点是P型和n型材料之间仅增长0。2t。 m厚，未掺杂的薄材料层具有窄的能隙，因此请注意A。 00载流子被限制在该区域（有效区域），因此注入较少的电流可使载流子的数量反向。在半导体激光器件中。目前，具有双异质结构的电注入GaAs二极管激光器更加成熟，性能更好，应用更加广泛。

随着异质结激光器的发展以及MBE和MOCVD技术的成就，世界上第一个半导体量子阱激光器（QWL）于1978年问世，极大地改善了半导体激光器的各种性能。后来，由于MOCVD和MBE生长技术的成熟，可以生长高质量的超细薄层材料。后来，我们成功开发了性能更好的量子阱激光器，量子阱半导体激光器和双异质结（DH）与激光器相比，具有阈值电流低，输出功率高，频率响应好，谱线窄，良好的温度稳定性和高电光转换效率。

自1970年代末以来，半导体激光器已明显向两个方向发展。一种类型的信息激光器被设计用来传递信息。另一种类型是旨在增加光功率的功率激光器。在诸如泵浦固态激光器，大功率半导体激光器（连续输出功率超过100mw，脉冲输出功率超过5W，都可以称为大功率半导体激光器）等应用的推动下，1990年代取得了突破。半导体激光器的输出功率已大大提高。

在1990年代后期，表面发射激光器和垂直腔表面发射激光器发展迅速，并且已经考虑了在超平行光电子学中的各种应用。 980nm，850nm和780nm器件已在光学系统中投入实际使用。

为了满足21世纪信息传输宽带，高速信息处理，大容量信息存储以及军事设备的小型化和高精度的需求，半导体激光器具有高速宽带LD，大功率ID，短波长LD，盆线和量子点激光器，中红外LD等方面均取得了一系列显着成果。

半导体激光器的工作原理

半导体激光器是相干辐射光源。为了使其能够产生激光，它必须具有三个基本条件：

1。增益条件：建立激光介质（有效区域）载流子的反向分布通过一系列能带来表示半导体中电子的能量。接近连续的能量水平。因此，为了使半导体中的粒子数反转，必须将其保持在2到5倍之间。同时，高能态导带底部的电子数量远大于顶部的空穴数量。的低能态价带。实现必要的载体。将电子从较低的价带激发到较高的导带。当大量处于粒子反转状态的电子与空穴复合时，会产生受激发射。

2。为了实际获得相干的受激辐射，必须在光谐振腔中多次反馈受激辐射，以形成激光振荡。激光腔由半导体晶体的自然分裂表面作为反射镜形成。通常，在不发光的端部上涂覆高反射多层电介质膜，并且在发光表面上涂覆抗反射膜。对于F-p腔（法布里-珀罗腔）半导体激光器，使用垂直于P-n结平面的晶体的自然分裂平面【110】平面来形成F-P腔是很方便的。

980nm激光器半导体

3。为了形成稳定的振荡，激光介质必须能够提供足够大的增益，以补偿谐振腔和从腔表面输出的激光所造成的光损耗，并不断增大光腔中的光场。空腔。这必须具有足够强的电流注入，即有足够的粒子反转，粒子反转的程度越高，增益就越大，也就是说，它必须满足某些电流阈值条件。当激光达到阈值时，特定波长的光会在腔中共振并被放大，

可以看出，在半导体激光器中，电子和空穴的偶极跃迁是发光和光放大的基本过程。对于新型的半导体激光器，目前公认的是量子阱是半导体激光器发展的基本动力。量子线和量子点是否可以充分利用量子效应的问题已经延伸到本世纪。科学家试图用具有自组织结构的各种材料制造量子点，而GaInN量子点已用于半导体激光器。此外，科学家还制造了另一种受激辐射过程的量子级联激光器。这种受激辐射基于从半导体导带的子能级到同一能带的低能级状态的跃迁，因为只有导带中的电子参与该过程，因此它是单极器件。

半导体激光器的工作特性

1阈值电流

当注入到p-n结的电流低时，仅产生自发辐射，并且增益也随着电流值的增加而增加。当达到阈值电流时，p-n结产生激光。

影响阈值的几个因素：

（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。

（2）谐振器的损耗很小。如果反射率增加，则阈值较低。

（3）与半导体材料的结类型有关。异质结的阈值电流远低于同质结的阈值电流。目前，室温下同质结的阈值电流大于A / cm2;单异质结约为8000A / cm2;双异质结约为1600A / cm2。现在，双异质结已被用于制造半导体激光器，该激光器在室温下可连续输出数十毫瓦。

（4）温度越高，阈值越高。高于100K时，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。

2，方向性

由于半导体激光器腔短且激光指向性差，发散角在结的垂直面上最大，可达20°-30°；在结的水平面约10°。

3，效率

量子效率η=每秒发射的光子数量/每秒到达结区的电子空穴数量

在77K时，GaAs激光器的量子效率达到70％-80％；在300K时下降到30％左右。

功率效率η1=辐射光功率/加到激光器上的电功率

由于各种损耗，当前的双异质结器件在室温下的最大η1最大为10％，只有在低温下才能达到30％-40 ％。

4，光谱特征

受激的复合辐射发生在能带（导带和价带）之间，因此激光器的线宽较宽。对于GaAs激光器，室温下的线宽约为几纳米，这表明单色性很差。输出激光的峰值波长：在77K时为840nm； 300K时为902nm。

980nm红外激光器

异质结激光器的工作过程

半导体激光器的结构是多种多样的，基本结构是所示的双异质结（DH）平面条形结构。

此结构由三层不同类型的半导体材料组成，它们会发出不同波长的光。标记使用的材料和近似尺寸。在结构中间存在厚度为0。1〜0。3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层。在两侧都具有宽带隙的P型和N型半导体称为限制层。将三层半导体放置在基板（基板）上，两个前，后晶体分裂平面充当镜子以形成Fabry-Perot（FP）谐振腔。

双异质结（DH）平面条纹激光器的基本结构

因为限制层的带隙比有源层宽，所以在施加正向偏压后，P层中的空穴和电子注入在N层中有Source层。 P层的带隙宽，并且导带的能态高于有源层的能态，这形成了对注入的电子的势垒，并且注入到有源层中的电子不能扩散到P层。类似地，注入到有源层中的空穴不能扩散到N层。以此方式，注入到有源层中的电子和空穴被限制在厚度为0。1-0。3μm的有源层上，以形成粒子数量的倒数分布。此时，只有很小的施加电流才能增加电子和空穴的浓度。大而提高效率。

另一方面，有源层的折射率高于限制层的折射率，并且所产生的激光被限制在有源区中，因此电/光转换效率非常高，输出激光非常低，并且散热片非常小，可以在室温下连续工作。

（a）双异质结构； （b）能带； （c）折射率分布； （d）光功率分配

半导体激光器的应用

激光光谱的应用

激光光谱以激光为光源的光谱技术，主要用于分子光谱，等离子体物理学，高次谐波产生的科学应用，大气污染监测和癌症诊断。使用半导体激光器作为激光光谱学的光源具有许多优点。它体积小，输入能量低，寿命长，协调性强，价格低。可以看出，通过改变工作电流可以很容易地获得氧的两个吸收峰，而无模式跳跃。

760nmVCSEL激光测量的氧气吸收光谱

在光固化成型技术中的应用

立体光刻技术由于其自动成型工艺，外观是最早的快速原型制造工艺，具有高度的外观，良好的原型表面质量，高尺寸单件小批量精密铸造，概念设计交流，产品模型，快速模具和直接面向产品的模具等方面，具有较高的精度和相对较好的尺寸成型。它广泛用于航空，汽车，电器，消费品和医疗行业并已被广泛使用。其形成原理如图2所示。它使用具有特定波长和强度的激光聚焦在光固化材料的表面上，使其从点到线以及从线到表面依次固化，完成一个级别的绘制操作，然后在垂直方向举起平台移动一层的高度，然后固化另一层。以这种方式，将这些层堆叠直到它们形成三维实体。

紫外线半导体激光技术的发展为SLA提供了最好的光源，这在电光效率，成本，体积，寿命和可靠性以及它在光谱，线宽，功率等方面的性能方面都是最好的它也完全符合其技术要求，因此对这种新光源的研究现已成为现实。随着激光技术的成熟，半导体激光器的应用范围涵盖了整个光电领域。它也已广泛用于军事领域，并已成为中国国防不可或缺的支柱。例如，半导体激光雷达主要是LD和波长为820〜850nm的阵列。新型半导体激光雷达结合了被动检测（红外系统），具有多种成像功能，包括强度成像，距离成像和速度成像等，具有先进的实时图像处理功能，包括多种成像合成，图像跟踪和目标自动识别等。

此外，半导体激光器还广泛用于激光测距，激光模拟武器，激光警报，激光制导跟踪，点火和爆炸。半导体激光器具有体积小，成本低，寿命长，波长选择，输出功率稳定等优点，特别适用于医疗设备。例如，低功率810nm近红外半导体激光器，由于该波长具有很强的激光穿透能力，折射间隙对它的吸收最少，并且光斑直径的可调范围是眼科中最常用的热源。 。它可以用于治疗青光眼和硅油注射剂。术后难治性高眼压和视网膜的光凝和固定等； 810nm半导体激光器可以很好地吸收毛囊中的黑色素，产生热效应，破坏毛囊，完成脱毛的效果；大功率半导体激光器还广泛用于肿瘤激光切割，凝固手术中。所有这些为人类健康提供了进一步的保护。

在通信领域的应用

半导体激光器还广泛用于信息获取，传输，存储和处理以及显示。在21世纪，随着光纤通信的发展，半导体激光作为光纤通信系统中的光源，是整个系统的关键组成部分和核心部分。短程光纤通信使用单模光纤和波长为130至150 nm的半导体激光器。用于空间通信的阵列半导体激光器。全球光纤通信市场前景广阔。因此，半导体激光器的市场前景也非常好。

在激光打印和打印市场中的应用

激光打印机诞生于1980年代后期的激光照排技术，并在1990年代中期流行。它是一种结合了激光扫描技术和电子照相技术的打印输出设备。与其他打印设备相比，激光打印机具有打印速度快和图像质量高的优点。 10-100nm大功率半导体激光器主要用于高速激光打印机。通常，它是一台联网的办公室打印机，包括一台新的彩色激光打印机（打印速度为12-35p / min）。使用激光直接在印刷板上写入数据正成为印刷技术行业的发展趋势。元件阵列，带有光纤耦合和透镜系统。当前，大多数激光，计算机和打印系统使用卤素银的光敏材料或光敏有机材料。杜邦和柯达都致力于开发这种导热材料，并且半导体激光器的使用正在增加。这个应用程序市场也在蓬勃发展。

980nm脉冲激光器