大功率半导体激光器高效率设计
河北工业大学
硕士学位论文
大功率半导体激光器高效率设计
姓名：杜伟华
申请学位级别：硕士
专业：物理电子学
指导教师：陈国鹰;杨红伟
20081101
河北工业大学硕士学位论文
大功率半导体激光器高效率设计
摘要
由于具有较高的输出功率和功率转换效率，大功率半导体激光器被广泛应用于泵浦固体激光器、激光加工、打印、光存储、光通讯及激光医疗等领域。功率、效率和可靠性是衡量半导体激光器性能的三个关键性指标。提高激光器的功率转换效率可以使激光器输入相同电流时输出更大的光功率，同时对于降低散热系统能耗、提高激光器光电特性、延长激光器寿命、提高可靠性以及节约运转费用有着非常重要的意义。效率的提高依赖于材料结构及其质量、芯片设计与器件制作工艺。
本课题基于器件的设计及其工艺的优化提高808nm大功率半导体激光器的功率转换效率。本文首先从理论上详细分析影响808nm大功率激光器效率的各个因素，然后以理论分析和计算机模拟为基础进行材料选择，波导层和包层使用AlGaAs材料，并且波导层采用大光腔结构，量子阱层使用AlGaInAs材料；在芯片制作方面，通过进行激光器的腔面反射率的设计，得出了最大的功率转换效率与腔长、腔面反射率的关系，选用了合适的腔面反射率进行腔面镀膜；在封装方面，鉴于微通道载体是目前解决连续工作大功率半导体激光器阵列散热问题的主要手段，因而采用微通道载体解决散热问题，通过计算机模拟，进行了微通道载体设计，同时对烧结工艺进行了优化。
通过对808nm大功率激光器进行深入研究，最终研制的808nm大功率半导体激光器微通道阵列，连续工作状态下，最高功率超过100W，功率转换效率达到56.7%，实现了项目指标。
关键词：功率转换效率，大光腔，应变量子阱，腔面反射率，烧结，微通道载体
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DESIGN OF HIGH EFFICIENCY HIGH POWER
SEMICONDUCTOR DIODE LASER
ABSTRACT
Due to higher output power and power conversion efficiency, semiconductor laser diodes
have been widely used in pumping solid state lasers, laser processing, printing, optical storage, optical communication and laser medical treatment and so on. Output power, power conversion efficiency and reliability are three key factors scaling the semiconductor laser diodes performance. Improving the efficiency can output higher light power for the same current. Furthermore, it means great sense for reducing system energy cost, improving laser diodes photoelectric character and reliability, prolonging laser diodes lifespan and saving running expense. The improvement of efficiency depends on material structure design and quality, chip design and manufacturing technics.
In this paper we pay our attention to improving power conversion efficiency through laser diode design and technical optimization. Firstly, we analyze the factors theoretically that influence power conversion efficiency of 808nm semiconductor laser diodes in detail. Then the material with AlGaAs broad waveguide layer, AlGaAs cladding layer and AlGaInAs strain quantum well layer is grown, basing on our theoretical analysis and computer stimulation. Through cavity facet reflectivity design, we have obtained the relationship between the maximum power conversion efficiency and cavity facet reflectivity. In order to obtain the highest power conversion efficiency, we choose proper cavity facet reflectivity to make mirror coating. The last but not the least, considering that using microchannel heatsink is a main way to solve the problem of heat dispersing, we design microchannel heatsink through computer stimulation, and improve die-bonding technics.
Through our research on 808nm high power laser diode array, power has reached above 100W and power conversion efficiency has reached up to 56.7% at continuous wave operation. Our project object has been achieved.
KEY WORDS：power conversion efficiency, large optical cavity, strain quantum well, cavity facet reflectivity, die-bonding, microchannel heatsink
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符号说明
A ——有效传热面积，单位cm2。
d——激光器条宽，单位μm。
E——电场强度，单位V/m。
f——脉冲重复频率，单位Hz。
g th——阈值增益，单位cm-1。
G0——材料增益系数，单位cm-1。
I——工作电流，单位A。
I stin——受激发射电流，单位A。
I spon——自发发射电流，单位A。
I nr——非辐射复合电流，单位A。
I leak——漏电流，单位A。
I th——阈值电流，单位A。
J——线电流密度，单位A/cm。
J th——阈值电流密度，单位A/cm2。
J tr——透明电流密度，单位A/cm2。
K——热导率，单位W/mK。
L——激光器腔长，单位cm。
L z——量子阱宽度，单位nm。
n, p——电子，空穴浓度，单位cm-3。
n B——波导层折射率。
n w——有源区折射率。
n R——材料折射率。
n tr——透明载流子浓度，单位cm-3。
P ex——激光器辐射的光功率，单位W。
P t——激光器在阈值电流时的输出光功率，单位W。
P T——热耗散功率，单位W。
q——电子电量，单位C。
R b, R f——激光器谐振腔前、后腔面的光功率反射率。
R th——激光器热阻，单位℃/W。
R b，R d，R h——阵列条自身的热阻、焊料层热阻和热沉热阻，单位℃/W。
R s——串联电阻，单位?。
R sp——自发辐射速率。
T——热力学温度，单位K。
△T——pn结温升，单位K。
T0, T1——阈值电流密度，斜率效率的特征温度，单位K。
V——工作电压，单位V。
V0——激光器开启电压，单位V。
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W——热沉厚度，单位mm。
X——激光器背面出光功率占总光功率的比例系数。
αend——端面损耗，单位cm-1。
αi——内部损耗，单位cm-1。
αqw，αwg，αc——有源层自由电子吸收，波导层中自由载流子吸收，包层中渗入吸收，单位cm-1。Г——光场限制因子。
ГG0——模式增益，单位cm-1。
Γsp——量子阱中载流子的自发发射寿命。
τ——脉冲宽度，单位ns。
μn, μp——电子，空穴的迁移率，单位cm2/V·s。
η——外量子效率。
ηi——内量子效率。
ηd——外微分量子效率，亦称斜率效率，单位W/A。
ηp——功率转换效率，亦称电光转换效率，插头效率。
λ——介质中波长，单位nm。
ρ——激光器面电阻率，单位?·cm2。
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第一章 绪论
§1-1 半导体激光器的发展史
早在1953年9月，美国的冯·纽曼（John V on Neumann）在他一篇未发表的论文手稿中第一个预言了半导体中产生受激发射的可能性，认为可以通过向PN结注入少量载流子来实现受激发射，并计算了两个布里渊区之间的辐射跃迁速率[1]。
1960年美国贝尔实验室的布莱（Boyle）和汤姆逊提出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔，1961年伯纳德（Bernard）与杜拉夫格（Duraffourg）给出了半导体中受激发射的必要条件——对应于非平衡电子、空穴浓度的准费米能级差必须大于受激发射能量。1962年后期美国的四个实验室几乎同时宣布研制成功了GaAs同质结半导体激光器，将垂直于结平面的两个平行端面抛光形成谐振腔，获得了在低温下脉冲工作的同质结型激光器，这就是“第一代”半导体激光器[2]。此类激光器的致命弱点是受激发射阈值电流密度特别高，达104~105kA/cm2量级，因此只能在液氮温度和脉冲状态（脉宽≤1μs，占空比<0.1%）下工作。由于这种激光器不能在室温下工作，人们对这种同质结半导体激光器的前途产生了怀疑，当时贝尔实验室固体研究室主任高尔特科学预见到，室温连续工作的半导体激光器将在未来的光通信上发挥重要作用。
半导体激光器发展的第二阶段是单异质结构半导体激光器。1963年，美国的克罗默（H.Kroemer）和前苏联科学院的阿尔费洛夫（Zh.Alferov）提出了异质结构激光器的设想[3]，即把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙的半导体之间形成异质结构，在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。1967年美国贝尔实验室的潘尼希（Panish）等人研制成功AlGaAs/GaAs单异质结激光器，从而实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。单异质结激光器是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAs P-N结的P区之内，以此来降低阈值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。
1969年，阿尔费洛夫（Zh.Alferov）等人研制成功了以GaAs为光增益介质的AlGaAs/GaAs双异质结激光器[2]。1970年初，美国贝尔实验室的研究工作者又制成了双异质结半导体激光器，使半导体激光器能在室温下连续工作，使得比单异质结激光器的阈值电流密度又降低了一个数量级，标志着半导体激光器进入了第三发展阶段—―双异质结注入型激光器[4]。双异质结激光器结构的特点是在P型和N型材料之间生长了极薄不掺杂的、具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注入的载流子被限制在有源区内，因而注入较少的电流就可以实现载流子数的反转。此后，在双异质结构的基础上，制作了各式各样的AlGaAs/GaAs双异质结构条形激光器，标志着半导体激光器开始走向成熟。
随着异质结激光器的研究发展，人们自然想到如果半导体层作为激光器的有源层薄到能够产生量子效应，结果会是怎么样。于是，随着MBE、MOCVD外延生长设备制作技术的开发，使得超薄层（<20nm）外延生长成为可能，“量子尺寸效应”及“人工微结构－超晶格”的概念与超精细薄层材料结构生长技术的结合，在1978年出现了世界上第一只室温连续激射的半导体量子阱激光器（QWLD） [2]，它大幅
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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。量子阱半导体激光器与双异质结（DH）激光器相比，具有阈值电流低、输出功率高、光谱线宽窄、温度稳定性好和较高的功率转换效率等许多优点。
量子阱激光器在结构上的特点是，它的有源区是由多个或单个阱宽约为10nm量级的势阱所组成，由于势阱宽度小于材料中电子的德布罗意波的波长，产生了量子效应，连续的能带分裂为子能级，因此特别有利于载流子的有效填充，所需要的激射阈值电流特别低。半导体激光器的结构中应用的主要是单、多量子阱，单量子阱（SQW）激光器的结构基本上就是把普通双异质结（DH）激光器的有源层厚度做成数十纳米以下的一种激光器。通常把势垒较厚以至于相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为多量子阱（MQW）。这使得量子阱激光器在近几年得到了飞速发展。
半导体激光器得以突飞猛进的发展归因于它具有许多突出的优点：半导体激光器是直接的电子－光子转换器，因而它的转换效率较高；所覆盖的波段范围广；使用寿命长；具有直接调制的能力；体积小，重量轻，价格便宜，容易集成；波长和尺寸与光纤尺寸适配，耦合效率高；响应速度快；相干性好；与其它微波器件和光电子器件兼容。
进入20世纪80年代以来，由于吸取了半导体物理研究的成果，晶体外延生长工艺，如分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）和化学束外延（CBE）均取得了重大进展，从而使半导体激光器得以采用量子阱和应变量子阱等新结构，出现了许多性能良好的新器件[2]。其中有各类量子阱激光器、应变量子阱激光器、垂直腔面发射激光器、大功率激光列阵以及量子线、量子点激光器等。由于新的外延生长工艺能够精确控制晶体生长厚度达到原子层的精度，且不同材料交替生长时具有平均陡峭的界面，界面态密度很低，这就使人们能够利用所谓的“能带工程”人为地改变结构参数以获得所需要的量子阱、超晶格材料，从而优化器件的性能。
§1-2 大功率半导体激光器的主要应用
随着技术的日趋成熟和应用领域的不断拓展，半导体激光器的应用已经覆盖了光电子学的诸多领域，成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器的众多优点，使得它目前在工业加工、激光医疗、激光通讯、信息显示等领域中应用非常广泛[5]。大功率半导体激光技术还是发展国防工业的重要技术基础[6]，其发展将直接推动引信、跟踪、制导、武器模拟、点火引爆、雷达、夜视、目标识别与对抗等技术的更新换代。大功率半导体激光器的主要应用有[6~8]：
（1）作固体激光器泵源。
固体激光器技术已渗透到精确制导、通讯、火控、雷达、侦察、导航、信息处理、对抗等各技术领域，其中激光器泵浦的固体激光器（DPSSL）已经成为当前的主流。因为与传统灯泵的固体激光器相比，半导体激光器具有功率转换效率更高、体积更小、可靠性更高的特点，用它做固体激光器泵浦源，可大大减小固体激光器体积，提高光功率密度和可靠性，满足机动设备，乃至太空激光武器需求。
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由于半导体激光的发射波长与固体激光工作物质的吸收峰相吻合，加之泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从而光光转换效率很高，已达50％以上，比灯泵固体激光器高出一个量级。
如果高效率大功率半导体激光泵浦的全固态激光器能够达到100KW以上功率输出的能力，相对于其他化学激光器、气体激光器更适合于安装在战车、飞机、卫星上实现机动化，发展成对靶目标进行硬破坏的强激光武器系统。所以，发展高效率、高功率密度的大功率激光器对于减小全固态激光器系统的体积和重量、发展100KW级全固态激光器技术具有重要意义。
（2）半导体激光器作为激光近炸引信应用，这也是大功率半导体在武器上的直接应用。主要是百纳秒量级脉冲脉宽工作半导体激光器单管或由单管串联组装在一起的阵列。由于其体积小，是激光引信的首选光源。
（3）在工业生产过程中，大功率半导体激光器可广泛地用于激光打孔、切割、焊接、钎焊、划片、打标、激光材料表面硬化处理、激光烧结、热压成型等方面，这些应用通常使用的器件以AlGaAs和InGaAs为基质，发射波长分别为810nm和960nm左右。用大功率半导体激光模块焊接塑料与用超声或加热工具之类的非激光方法相比，激光焊接在对付复杂几何形状方面有明显的优势。激光还能在焊接异质组合，如聚合物和金属，或者热塑合成橡胶与刚性热塑这样的异型组合，焊接有引线的元件和表面安装器件，是大功率半导体激光器模块已成功应用的另一领域。在此领域中，半导体激光器模块胜过固体激光器系统，而且没有其他激光器能真正与之竞争。
（4）在激光医疗方面，大功率半导体激光器模块应用于包括泌尿科、内科、妇科、耳鼻喉等的医疗领域。利用激光的热效应进行激光外科手术，如波长为800nm左右的激光适合于人体手术的治疗，所需半导体激光功率在60W左右。利用光纤将半导体激光引入到人体内进行激光内窥或内镜治疗、激光心血管介入疗法。激光眼科治疗、激光皮肤科治疗以及激光美容等也是很有潜力的应用。目前国外大功率半导体激光手术刀获得飞速发展，正在逐步取代传统的YAG激光手术刀。此外，大功率半导体激光光动力学治疗和体外光化学疗法还可用于光激活癌症治疗，波长900nm左右的半导体激光用于理疗和激光针灸。
（5）其它应用方面，随着技术的日趋成熟，模块化、集成化进一步加大，上兆瓦超大功率半导体激光器的制造将成为可能。同时大功率半导体激光的应用也在不断扩大，就连一些意想不到的领域也可以应用激光。超大功率半导体激光器应用的基本发展方向是：激光热核聚变、裂变，空间、工业、矿业、建筑业，拆除原子能反应堆和清洗放射性污染，激光诱发闪电，用短脉冲和超短脉冲对物质进行激光烧蚀，激光分离同位素，激光加速粒子，三维结构造型，激光发射火箭，激光改变空间飞行物体运行轨道等。
§1-3 高效率半导体激光器的国内外研究现状
半导体激光器的功率转换效率指激光器输出光功率与消耗电功率之比。在固体激光器系统中，半导体激光器的产热是系统热耗的主要组成，因此提高半导体激光器的功率转换效率是提高大功率固体激光器水平的重要途径。
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当前半导体激光器的产品功率转换效率一般在50%左右，意味着实现100W的光输出的同时伴随100W的热输出。如果将功率转换效率提高到80%，意味着实现100W的泵浦光只有25W的热输出，降低到原来的四分之一，这将大大降低固体激光器系统的热负载。半导体激光器作为电注入发光器件，其功率转换效率理论上可以接近100%。因此，这也决定了它的巨大效率优势和应用潜力。另外，换角度看，效率提高意味着在同等电注入条件下，激光器输出光功率增加，从而激光器输出光功率密度增加，泵浦源体积减小。这对于在固定体积重量的基础上提高固体激光器的功率水平至关重要。
正是因为激光器的功率转换效率对于泵浦固体激光器的重要性，2003年美国DARPA就设立了超高效率半导体激光器光源（SHEDS）课题，目标是将大功率半导体激光器的效率从50%提高到80%。这将是半导体激光器的一次革命，同时也是固体激光器的又一次革命，其影响是重大而深远的。超高效率半导体激光器课题进展迅速，两年内将激光器的功率转换效率从原来的50%提高到大于70%，这样的半导体激光器用于泵浦在有效降低泵源热耗散体现了明显的优势。同时，高的功率转换效率也增加了半导体激光器的功率密度，在功率转换效率的推动下，连续激光器阵列单条输出功率从原先的200W，目前已经提高到了接近1000W。千瓦级的半导体激光器阵列大有代替氙灯泵浦的固体激光器，进入工业材料处理市场的趋势。
（a) SHEDS前效率为50% （b) SHEDS后效率为71%
图1.1 Alfalight对970nm激光器功率转换效率的分析
Fig.1.1 Power loss analysis of laser diode in Alfalight
Alfalight公司报道了970nm大功率激光器的功率损耗来源[9]：阈值以下损耗，包括粒子束反转及一部分非辐射复合；载流子溢出损耗，电子和空穴不能有效在量子阱中复合；焦耳热损耗，来源于激光器的欧姆接触电阻、体电阻等；内建电场损耗，主要由异质结材料界面能带不对准引起；光吸收和散射损耗，包括波导散射、自由载流子吸收等因素。通过有针对性地结构设计、工艺改进等措施，Alfalight公司970nm大功率激光器的功率转换效率已由50%提高到70%，各种损耗比例也有所变化，如图1.1所示。
近年来大功率半导体激光器器件发展非常迅速，其峰值功率不断上升。激光二极管输出功率的提高主要得益于高效率研究的快速进展。据Newport公司报道[10][11]，77%填充因子、5mm腔长的单bar连续输出最大功率达928W；条宽100μm、8个发光单元的激光器bar条连续工作，最高输出功率148W。JDS 4
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Uniphase公司报道[12]，15℃时，连续工作的单管工作电流25A时，峰值输出功率达19W；水冷25℃时，激光器单bar，输出光功率100W时，最高功率转换效率达76%。
JENOPTIK Diode Lab报道[13]，808nm cm条激光器阵列，25℃测试，输入电流210A时，连续输出最大功率205W，功率转换效率58%。nLight公司报道[14] [15]，1mm腔长，808nm激光器单bar，15℃工作转换效率最高达71.5%。
按照美国政府法律规定，输出平均功率大于10W或峰值功率大于100W的大功率激光器是需要出口许可证的。但要发展大功率半导体激光器作为泵浦源，只依靠从国外进口是不现实的，一是受到国外禁运的限制，二是价格昂贵，因此需要开发具有自主产权的大功率半导体激光器。
在国内，中国科学院北京半导体所、中国科学院长春光机所、中电十三所、吉林大学、北京工业大学等均开展了大功率连续半导体激光器先期研究工作。目前国内的大功率半导体激光器效率为53.7%[16]，相对国外水平明显落后，一些基本工艺仍然存在不足。国产激光器与进口激光器相比整体性能较差。提高功率转换效率的研究进入关键时期，成为目前国内大功率半导体激光器研究的一个重要方向[17]。
§1-4论文研究内容
本论文是在中国电子科技集团公司第十三研究所光电专业部完成的。主要围绕“高效率大功率半导体激光器预研”项目开展了一系列的研究工作。通过对808nm AlGaAs/AlGaInAs材料量子阱激光器的深入研究，基于材料结构设计及材料选择的前提下，进行器件的优化设计，在量子阱激光器材料的设计、激光器腔面反射率设计、载体设计及烧结工艺改进等方面，做了大量工作，取得了较大进展，达到了研制目标。
本论文主要开展了以下几个方面的研究工作：
（1）应变量子阱激光器材料的选择。
选择AlGaAs/AlGaInAs的材料结构进行外延生长。采用大光腔、分别限制量子阱结构，得到了高内量子效率、低损耗的芯片材料。
（2）腔面反射率设计。
大功率半导体激光器阵列的腔面蒸镀增透膜和高反膜，不但可以增加激光器的光损伤阈值，而且还可以作为腔面的保护膜防止氧化，提高激光器的可靠性和寿命，同时镀膜后可以改善激光器的外量子效率、阈值电流、功率转换效率和输出功率等特性。从理论上设计了大功率半导体激光器阵列的腔面反射率，给出了功率转换效率随腔长和腔面反射率的变化情况。理论设计对于镀膜工作有一定的指导作用。
（3）封装对效率的影响。
大功率半导体激光器阵列封装的关键在于低热阻、低欧姆接触以及良好的散热处理。良好的散热也是获得高功率转换效率的必要条件。微通道载体的制作与封装技术是目前解决连续工作大功率半导体激光器阵列散热问题的主要手段。我们自行设计了微通道热沉载体，并用ANSYS软件进行了模拟，从而指导了半导体激光器阵列载体和散热器的设计。我们又对烧结工艺进行了改进，获得了良好的载体与芯
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片的烧结状态。
§1-5本章小结
本章简要叙述了半导体激光器的发展历史及主要应用，并详细报道了高效率大功率半导体激光器目前的国内外发展现状，阐述了本论文的主要研究内容。
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第二章 半导体激光器功率转换效率的理论分析
§2-1 功率转换效率的概念
功率转换效率（power conversion efficiency ），简称PCE ，又称电光转换效率（electric-optic conversion efficiency ）、总体效率或wall-plug （插头）效率，即加在激光器上的电功率转换为输出光功率的效率。假定没有器件工艺引起的漏电流，电流全部流经PN 结，半导体激光器可视为二极管与电阻的串联，如图2.1所示：
s Ir V V +=0
（2.1）
图2.1 二极管与电阻的串联
Fig.2.1 diode and resistance in series
其中二极管电压V 0近似为量子阱材料导带和价带的电势差，对于808nm 激光器来说V 0=1.53V ，IR s 为串联电阻分压。因此总电功率可以写为：
（2.2） s I I V VI R
20+=激光器功率转换效率ηp 的表达式为：
s
th d ex p R I I V I I VI P 20)(eV h *+?====ηυη电子能量光子能量电子数光子数消耗的电功率激射的光功率 （2.3） P ex 为激光器所发射的光功率，I 为工作电流，V 为激光器pn 结上的正向电压降，R s 为串联电阻（包括半导体材料的体电阻和电极的欧姆接触电阻）。由此可见，降低阈值电流，有利于转换效率的提高；降低R s ，特别是制备良好的低电阻率的欧姆接触，是提高转换效率的关键。
同时，改善激光器管芯的散热环境，降低工作温度也有利于功率转换效率的提高[18]。而其中这些参量又受到诸多参数的影响，参数之间又相互制约，所以进行材料、芯片结构的优化非常必要，下面对影响激光器转换效率的参量及其相互间的关系进行介绍。
§2-2 影响半导体激光器功率转换效率的参数
2-2-1 外微分量子效率
因半导体激光器有阈值特性，通常用外微分量子效率ηd 来评价激光器性能的优劣。实际上，ηd 是P-I 关系曲线阈值以上线性部分的斜率，故亦称为斜率效率，单位W/A ，可表示为：
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8 th
t ex d I I P P ??=η （2.4） 式中P t 是对应阈值电流的功率输出。因P t <
th
ex d I I P ?=η （2.5） 采用多量子阱结构是提高斜率效率最有效的方法之一。载流子限制加强，使得复合几率增加，提高了内量子效率ηi ，从而提高了斜率效率。但是同时，采用多量子阱结构又会减小光场限制因子，从而降低模式增益[19]。
2-2-2 内量子效率
ηi 定义为流过有源区的载流子产生跃迁辐射的数量占总数量的比例。表示为：
leak nr spon stin spon stin total spon stin i I I I I I I I I I ++++=+=?=空穴对数
子每秒钟注入有源区的电光子数有源区内每秒钟产生的η （2.6） 分子表示每秒钟自发发射和受激发射电流总和，分母各项分别表示表示自发发射、受激发射、非辐射复合和漏电流总和。式中表明影响内量子效率的主要因素包括非辐射复合电流和漏电流。
目前提高内量子效率的关键是在生长工艺中控制晶格匹配和材料的纯度，以减小杂质和缺陷引起的非辐射复合。内量子效率只是考虑了注入有源区的载流子所产生的非辐射复合损失，然而辐射复合产生的光子也并不是全部都能离开晶体向外发射。这是因为，从发光区产生的光子通过半导体时有部分可以被再次吸收；另外由于半导体通常具有较高的折射率，光子在界面处很容易发生全反射而返回到晶体内部。因此要想使激光器得到尽可能高的外微分量子效率，一方面要使内量子效率尽可能的高，即尽量减小载流子的非辐射损耗；另一方面应尽量减小光子的非输出损耗。
2-2-3 外量子效率
上面分析的内量子效率只是考虑注入有源区的载流子所产生的非辐射复合损失。实际上，有源区内载流子的辐射复合产生的光子并不能全部发射出去。这是因为，从有源区产生的光子经过半导体时，会遭到散射、衍射和吸收，而且光子在接口处很容易发生全反射而反射回去，造成反射镜端面损耗。因此引入了外量子效率，它是激光器单位时间内发射的光子数与单位时间内注入有源区的电子－空穴对数的比值。因为半导体的吸收随着温度的升高而增大，因此，外量子效率（发光效率）将随温度的升高而下降。
（2.7）
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其中，αi 为内损耗，L 为谐振腔的腔长， R b 、R f 分别为前后腔面反射率。考虑到激光器激射的光功率P ex 正比于f
b R R L 1ln 21，有源区产生的光功率正比于i f b R R L α+1ln 21，式中分子是输出的光子损耗。可见，要提高激光器的外微分量子效率，首先要提高内量子效率，既要减少载流子的非辐射复合，同时尽量减少光子的非输出损耗，即提高有源区的光限制因子Γ。
内损耗可写为[2]：
c wg qw i αααα++= （2.8）
包括：αqw 为有源层自由电子吸收，量子阱界面不平整散射；αwg 为波导层中自由载流子吸收，杂质或缺陷散射吸收；αc 为包层中渗入吸收。
腔面损耗可写为：
2
11ln 21R R L end =
α （2.9） ληαααηη/24.12d end i end i =+= （2.10） ????????Γ=+=tr
th end i th J J G g ln 0αα （2.11） 其中αend 是镜面末端损耗，αi 是内损耗，J th 为阈值电流密度，g th 为阈值增益，J tr 为透明电流密度，ΓG 0
为模式增益（其中Γ为光场限制因子，G 0为材料增益系数）。 对于高功率半导体激光器，在腔内损耗极低的前提下，一般是通过增加器件的腔长实现高功率输出，避免了由于单位面积散热能力的限制而难以较大提高器件的注入电流，不过器件腔长不应超过材料的吸
收长度1/αi ，否则将引起激光器输出的快速饱和，这主要是由于附加的腔内非均匀分布吸收造成的[20]。
提高外量子效率的关键是尽量减小光子的非输出损耗。半导体激光器中光子的非输出损耗一般包括：
①本征吸收损耗。激光器有源区对于激射光子存在着本征再吸收，本征损耗与有源区的内量子效率直接相关。
②自由载流子吸收损耗。在半导体激光器中，自由载流子的吸收损耗是最主要的最不可避免的，它是在载流子运动时与光子相互作用而对光子散射所造成的。这种损耗的大小与载流子浓度呈正比并近似比例于波长的平方根。因此半导体激光器的有源区不宜高掺杂，并且在设计激光器波导结构时，必须考虑由于高掺杂浓度的限制层对光子的吸收而对激光器增益和模式产生的影响。
③散射损耗。这主要包括有源区和异质结界面处的缺陷对光子的散射损耗，以及由于异质结界面波导壁微观上具有波长量级的不平整度而对光子造成的散射损耗。如果波导壁的粗糙度小于0.01μm ，由此产生的损耗将小于5cm -1。因此需要很好的生长工艺来保证平整的异质结外延界面，以减小由此产生的散射损耗。
2-2-4 阈值电流密度
阈值电流密度J th 与透明电流密度J tr 、腔长L 、腔面反射率R b R f 、增益系数G 0、谐振腔内损耗αi 、内量 9
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子效率ηi 、模式增益ΓG 0有关，其关系可表达为[21]：
)1ln 21exp(0G R R L J J f b i i
tr th Γ+=
αη （2.12） ηi 近似为1时，上式转化为： L
G R R J G J f b tr i th 1*2Γ)ln())ln(Γ()ln(010?++α＝ （2.13） 下面对表达式中各参量进行具体分析：
①透明电流密度
透明电流密度越小，阈值电流密度越小。透明电流密度还与透明载流子密度相关。从理论上讲，当导带电子和价带空穴的有效质量相等而且越小时，透明载流子密度越低。透明电流密度J tr 与透明载流子密度n tr 的关系表示为：
sp
z tr tr L qn J Γ= （2.14） 其中L z 为阱宽，Γsp 为阱里载流子的自发发射寿命。从公式可看出Γsp 越大，J tr 越低；n tr 越低，J tr 越低；J tr 还和阱宽有关。n tr 和Γsp 与价带空穴的有效质量有关，价带空穴的有效质量越小，n tr 越低，Γsp 越大，从而J tr 越低。因此应变可以减小激光器的阈值电流密度。垒层厚度会影响阱中空穴的有效质量。当垒层厚度减小时，J tr 减小，而且阱宽L z 窄时更明显。如果量子阱激光器中的材料组分已固定，阱宽便不能改动，可采取减小垒层厚度的方法来减小J tr [22]。
②光场限制因子
光场限制因子表征激光器结构对电磁场限制的有效程度，它的定义是被限制在有源区内的光能量与激光器产生的光能量之比。光场限制因子越大，阈值电流密度越小。不同的激光器结构，其光场限制因子不一样。设波导结构中的电场分布为E y (x)，则光场限制因子Γ的表达式如下：
∫∫∞+∞
??=Γdx x E dx x E y L L y Z Z
222
2)()( （2.15）
对半导体激光器来说，垂直方向为多层波导结构，包括量子阱层、势垒层、波导层和限制层。各层的厚度、波导层的形状、限制层的折射率都会对Γ产生影响。
③腔长
腔长增加时，由于增益变大，阈值电流密度会下降。在短腔长时，激光器的腔面损耗项较大，起主要作用；当L 增大时腔面损耗项较小，内损耗αi 起主要作用，因此阈值电流密度随腔长L 的增加而下降得越来越缓慢。
④谐振腔内损耗αi
由式（2.12）知，如果内损耗越小，内量子效率越大，则阈值电流密度越小。内损耗和内量子效率可通过不同腔长的激光器的外量子效率拟合得出。而降低内损耗、提高内量子效率需要提高材料的生长质量和优化掺杂分布。由式（2.7）得：
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河北工业大学硕士学位论文
11)ln(1[1ln 211ln 21??+=+=f b i i i f
b f b i R R La a R R L R R L ηηη （2.16） 上式可转化为：
))ln(21(1 11
i L R R f b i ?+αηη＝ （2.17） 在半导体激光器中，由于载流子在运动时与光子相互作用，而对光子散射所造成的自由载流子的吸收损耗，是最主要且不可避免的，这种损耗的大小与载流子浓度成正比和近似比例于波长的平方根。有计算表明，自发辐射和表面复合速率随温度的升高而降低，但前者降的程度较大，而俄歇复合随温度的升高而明显增加[23] [24]。
2-2-5 串联电阻
激光器的串联电阻包括材料串联电阻和器件封装电阻两部分，其中材料电阻主要决定于材料的厚度、掺杂浓度、载流子迁移率，降低材料串联电阻主要通过材料的掺杂工艺优化实现。封装电阻主要决定于载体材料、焊料以及电极引线的电导率、尺寸。其中材料电阻：0.05~0.10?（单管100*1000um 2），烧结层及外连线电阻引线电阻：0.01~0.03?。与条宽、腔长成反比。
d L R s ρ
= （2.18）
ρ为激光器结构的面电阻率，受到外延层材料及接触电极的电阻率影响，L 、d 分别为激光器腔长、条宽。而电阻率可表示为
1n p nq pq ρμμ=+ （2.19）
其中n, p 分别为电子，空穴浓度，μn , μp 分别为电子，空穴的迁移率，q 为电子电量。激光器串联电阻一般指激光器开启后VI 曲线线性区域的斜率，VI 特性原理如图2.2所示。
材料电阻和引线电阻是主要部分，但是欧姆接触与烧结工艺也很关键，工艺问题会带来意外的电阻。
图2.2激光器VI 特性原理示意图
Fig.2.2 Schematic figure of laser diode VI theory
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由于激光器具有明显的PN 结特性，在小电流时电流随电压指数变化，在大电流时近似线性。严格讲串联电阻指激光器开启的微分电阻，并非固定不变，而是随电流增加减小。
2-2-6 温度
量子阱激光器的输出光功率、功率转换效率、激光器光谱以及激光器的寿命都与温度有密切的关系。其中，输出功率和功率转换效率随温度的变化主要表现在两方面：阈值电流密度随温度升高而增大，斜率效率随温度增加降低。所以，研制高效率的激光器必须清楚掌握激光器的温度特性，而且要妥善解决激光器的散热问题。
（1）温度与阈值电流密度的关系：量子阱激光器的阈值电流密度与温度的关系，主要是由于增益系数、漏电流、自由载流子吸收损耗、散射损耗等参数与温度的关系引起的（折射率阶跃、腔面反射率、耦合损耗随温度变化的影响忽略不计）。对于各种温度下的阈值电流随温度变化的关系见图2.3。阈值电流密度与温度的关系近似为指数关系。
图2.3 阈值电流与温度的关系
Fig.2.3 Relationship between threshold current and temperature
一般把激光器的阈值电流密度与温度的关系表达式写为[2]：
)exp()(0
T T T T J J r r th th ?= （2.20） 其中，J th (T r )表示室温下的阈值电流密度，是一个常数，不同的激光器具有不同的值。T 0是特征温度，表示阈值电流对温度的敏感程度。由上式可以看出，T 0越大，表明激光器对温度的敏感性越小。若能使T 0→ ∞，则激光器的J th 不随温度变化。与早期的双异质结激光器相比，量子阱激光器具有较高的T 0值，这是因为此二维系统中的准费米能量对温度的依赖性弱于体材料, 态密度的台阶状分布及量子阱区的电子和声子分布的微扰作用。
一般的量子阱激光器的特征温度典型值在170-250K 之间，有时可高达400K 以上。但是特征温度并非在所有温度范围内都是定值，实验表明温度越高特征温度越低。这是因为当温度升高时，增益系数、漏电流、自由载流子吸收损耗、散射损耗及耦合损耗等均会发生变化，进而影响阈值电流密度的变化。温度对J th 的影响可以认为主要来自于下列因素[2]：
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①. 载流子的统计分布与温度有关，它影响着激光器的增益系数；
②. 由于载流子的俄歇复合、载流子与异质结接口态和半导体材料表面态的复合以及自由载流子吸收等因素引起的内部损耗与温度的关系；
③. 由于载流子随能量的统计分布和异质结有限的势垒引起的热载流子泄露。通过很好的材料生长工艺和器件结构设计可以减少接口态、表面态的影响，而俄歇复合和热载流子漏泄则成为主要影响因素。
（2）温度对斜率效率的影响：温度除了影响激光器阈值电流密度以外，也会改变激光器的斜率效率。忽略掉光子能量和标准电荷，斜率效率等价于激光器的外量子效率。随着温度的升高，自由载流子的吸收损耗增加，从有源层溢出的载流子数目也将增加，外量子效率将减小，但两者并不是成简单的线性关系，ηd 随温度呈指数减少。
图2.4 温度与斜率效率的关系
Fig.2.4 Relationship between threshold current and temperature
一般可以用下式表示斜率效率随温度变化的关系，T 1称为斜率效率特征温度。
）（12121exp T T T d d d d ?=ηη （2.21）
因此根本上提高激光器的功率转换效率必须考虑工作温度，设计中提高激光器散热能力与激光器热稳定性，这主要是通过改善封装水平实现。
2-2-7 热阻
热阻是大功率半导体激光器中一个很重要的参数[22]，是表征有源区温度随激光器热耗散功率变化量的一个物理量，热阻的大小代表激光器散热能力的强弱。其定义式为：
T
P T R Δ=th （2.22） 其中，△T 表示为热耗散功率在半导体激光器中产生的温升，P T 为热耗散功率。从式（2.20）、（2.21）和（2.22）可以看出，热阻与温度、热功率、阈值电流密度和斜率效率有着不可分割的关系。如果考虑如图2.5所示的一维情况，即假设Bar 条pn 结产生的废热仅沿x 方向以热传导的方式传递，则热阻可按下式进行计算：
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A
K R 1W th ?= （2.23） 其中，W 为热沉厚度，K 为热导率，A 为有效传热面积。
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图2.5 一维热传导分析模型
Fig 2.5 Model of one-dimensional heat conduction
半导体激光器的热阻除了与bar 条自身的热阻有关外，还与所使用的热沉、芯片与热沉的接触状况等有关。因此，大致可将激光器的热阻分为三部分：阵列条自身的热阻R b 、焊料层热阻R d 和热沉热阻R h 。因此，激光器的热阻应表示为以上三部分之和，即：R th ＝R b ＋R d ＋R h 。其中，阵列条热阻应为各层热阻之和。
知道热阻后就可以计算激光器的结升温：
T P R T ?=Δth （2.24）
§2-3 提高功率转换效率的途径
从上述影响转换效率的参数中，我们可以看到，提高内量子效率，降低阈值电流与内损耗，降低开启电压与串联电阻，降低热阻，改善激光器的散热能力，是提高半导体激光器功率转换效率的有效途径。而这些参数之间又互相联系，互相制约。
从式（2.6）和式（2.8）可以看出，为了降低内损耗、提高内量子效率，一方面要尽量减小载流子的非辐射损耗，另一方面应尽量减小光子的非输出损耗。而这需要提高材料的生长质量和优化掺杂分布来实现。因此，我们采用大光腔分别限制量子阱的材料结构。而为了降低串联电阻，由式（2.19）可知，需要使用大迁移率材料以及调整材料掺杂浓度，以改善大光腔结构串联电阻大的状况。
从式（2.7）可以看出，降低R b R f 会使外量子效率提高；而从式（2.12）可以看出，降低R b R f 又会使阈值电流密度增大，而外量子效率的提高和阈值电流密度的增大对功率转换效率的提高是一对矛盾。我们知道，由于镀膜后的激光器从前腔面出光，所以希望后腔面的反射率R b 尽可能接近100%，以减小不必要的光输出。因此我们需要进行激光器前腔面反射率的优化设计，以得到一定工作条件下激光器实现最高效率的功率输出。
从式（2.20）、（2.21）和（2.22）可以看出，温度对激光器转换效率的影响主要体现在对阈值电流密度、斜率效率的影响上，热阻表征了激光器散热能力的大小，这主要是通过改善封装水平实现。激光器阵列封装的关键在于低热阻及良好的散热处理。微通道载体的制作与封装技术是目前解决连续工作大heatsink temperature
of p-n junction
thickness of heatsink heat transmission area waste heat
x
脉冲激光测距仪的设计-课程设计
目录 第一章绪论 (1) 1.1设计背景 (1) 第二章脉冲激光测距仪的工作原理 (2) 2.1测距仪的简要工作原理 (2) 第三章脉冲激光器的结构及工作过程 (3) 3.1激光脉冲测距仪光学原理结构 (3) 3.1.1测距仪的大致结构组成 (3) 3.2主要的工作过程 (4) 3.3主要部件分析： (4) 3.3.1激光器（一般采用激光二极管） (4) 3.3.2激光二极管的特性 (5) 3.3.3光电器件（采用雪崩光电二极管APD） (6) 第四章影响测距仪的各项因素 (7) 4.1光脉冲对测距仪的影响 (7) 4.2发散角对测距仪的影响 (8) 第五章测距仪的光电读数显示 (9) 5.1距离显示原理及过程 (9) 5.2测量精度分析 (10) 5.3总述 (11) 参考文献 (11)
第一章绪论 1.1设计背景 在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，如电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，军事，农业，林业，房地产，休闲、户外运动等都可以用到激光测距仪。 激光测距仪一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。 当前激光测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统能耗小、体积小型化方向发展。激光测距仪一般采用两种方法来测量距离：脉冲法和相位法。而其中脉冲激光测距的应用领域也是越来越宽广，比如，地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪以及人造卫星、地球到月亮距离的测量等。脉冲激光测距法是利用激光脉冲持续时间非常短，能量相对集中，瞬时功率很大（可达几兆瓦）的特点，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程；如果只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得的微弱反射信号，也是可以测距的。因而脉冲激光测距法应用较多。
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44瓦超高功率808 nm半导体激光器设计与制作 仇伯仓，胡海，何晋国 深圳清华大学研究院 深圳瑞波光电子有限公司 1. 引言 半导体激光器采用III-V化合物为其有源介质，通常通过电注入，在有源区通过电子与空穴复合将注入的电能量转换为光子能量。与固态或气体激光相比，半导体激光具有十分显著的特点：1）能量转换效率高，比如典型的808 nm高功率激光的最高电光转换效率可以高达65%以上 [1]，与之成为鲜明对照的是，CO2气体激光的能量转换效率仅有10%，而采用传统灯光泵浦的固态激光的能量转换效率更低, 只有1%左右；2）体积小。一个出射功率超过10 W 的半导体激光芯片尺寸大约为0.3 mm3, 而一台固态激光更有可能占据实验室的整整一张工作台；3）可靠性高，平均寿命估计可以长达数十万小时[2]；4）价格低廉。半导体激光也同样遵从集成电路工业中的摩尔定律，即性能指标随时间以指数上升的趋势改善，而价格则随时间以指数形式下降。正是因为半导体激光的上述优点，使其愈来愈广泛地应用到国计民生的各个方面，诸如工业应用、信息技术、激光显示、激光医疗以及科学研究与国防应用。随着激光芯片性能的不断提高与其价格的持续下降，以808 nm 以及9xx nm为代表的高功率激光器件已经成为激光加工系统的最核心的关键部件。高功率激光芯片有若干重要技术指标，包括能量转换效率以及器件运行可靠性等。器件的能量转换效率主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计，而运行可靠性主要与芯片的腔面处理工艺有关。本文首先简要综述高功率激光的设计思想以及腔面处理方法，随后展示深圳清华大学研究院和深圳瑞波光电子有限公司在研发808nm高功率单管激光芯片方面所取得的主要进展。 2.高功率激光结构设计 图1. 半导体激光外延结构示意图
大功率半导体激光器件最新发展现状分析
大功率半导体激光器件最新发展现状分析 1 引言 半导体激光器由于具有体积小、重量轻、效率高等众多优点，诞生伊始一直是激光领域的关注焦点，广泛应用于工业、军事、医疗、通信等众多领域。但是由于自身量子阱波导结构的限制，半导体激光器的输出光束质量与固体激光器、CO2激光器等传统激光器相比较差，阻碍了其应用领域的拓展。近年来，随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术的飞速发展，特别是在直接半导体激光工业加工应用以及大功率光纤激光器抽运需求的推动下，具有大功率、高光束质量的半导体激光器飞速发展，为获得高质量、高性能的直接半导体激光加工设备以及高性能大功率光纤激光抽运源提供了光源基础。 2 大功率半导体激光器件最新进展 作为半导体激光系统集成的基本单元，不同结构与种类的半导体激光器件的性能提升直接推动了半导体激光器系统的发展，其中最为主要的是半导体激光器件输出光束发散角的降低以及输出功率的不断增加。 2.1 大功率半导体激光器件远场发散角控制 根据光束质量的定义，以激光光束的光参数乘积（BPP）作为光束质量的衡量指标，激光光束的远场发散角与BPP成正比，因此半导体激光器高功率输出条件下远场发散角控制直接决定器件的光束质量。从整体上看，半导体激光器波导结构导致其远场光束严重不对称。快轴方向可认为是基模输出，光束质量好，但发散角大，快轴发散角的压缩可有效降低快轴准直镜的孔径要求。慢轴方向为多模输出，光束质量差，该方向发散角的减小直接提高器件光束质量，是高光束半导体激光器研究领域关注的焦点。 在快轴发散角控制方面，如何兼顾快轴发散角和电光效率的问题一直是该领域研究热点，尽管多家研究机构相续获得快轴发散角仅为3o，甚至1o的器件，但是基于功率、光电效率及制备成本考虑，短期内难以推广实用。2010年初，德国费迪南德-伯恩研究所(Ferdinand-Braun-Inst itu te)的P. Crump等通过采用大光腔、低限制因子的方法获得了30o快轴发散角（95%能量范围），光电转换效率为55%，基本达到实用化器件标准。而目前商用高功率半导体激光器件的快轴发散角也由原来的80o左右（95%能量范围）降低到50o以下，大幅度降低了对快轴准直镜的数值孔径要求。 在慢轴发散角控制方面，最近研究表明，除器件自身结构外，驱动电流密度与热效应共同影响半导体激光器慢轴发散角的大小，即长腔长单元器件的慢轴发散角最易控制，而在阵列器件中，随着填充因子的增大，发光单元之间热串扰的加剧会导致慢轴发散角的增大。2009年，瑞士Bookham公司制备获得的5 mm腔长，9XX nm波段10 W商用器件，成功将慢轴发散角（95%能量范围）由原来的10o～12o降低到7o左右；同年，德国Osram公司、美国相干公司制备阵列器件慢轴发散角（95%能量范围）也达7o水平。 2.2 半导体激光标准厘米阵列发展现状 标准厘米阵列是为了获得高功率输出而在慢轴方向尺度为1 cm的衬底上横向并联集成多个半导体激光单元器件而获得的半导体激光器件，长期以来一直是大功率半导体激光器中最常用的高功率器件形式。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CM Bar的腔长由原来的0.6～1.0 mm增大到2.0～5.0mm，使得CM Bar输出功率大幅度提高。2008年初，美国光谱物理公司Hanxuan Li等制备的5 mm腔长，填充因子为83%的半导体激光阵列，利用双面微通道热沉冷却，在中心波长分别为808 nm，940 nm，980 nm处获得800 W/bar，1010W/bar，950 W/bar的当前实验室最高CM Bar连续功率输出水平。此外，德国的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等多家半导体激光供应商也相续制备获得千瓦级半导体激光阵列，其中Oclaro公司的J. Müller等更是明确指出，在现有技术
半导体激光器的研究进展
半导体激光器的研究进展 摘要：本文主要述写了半导体激光器的发展历史和发展现状。以及对单晶光纤激光器进行了重点描述，因其在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，近年来成为新型固体激光源研究的热点。 一、引言。 激光是20 世纪以来继原子能、电子计算机、半导体之后人类的又一重大发明。半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大的规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。 半导体激光历经五十余年发展，作为一个世界前沿的研究方向，伴随着国际科技进步突飞猛进的发展，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。半导体激光的进步在国际范围内受到了高度的关注和重视，不仅在基础科学领域不断研究深化，科学技术水平不断提升，而且在应用领域上不断拓展和创新，应用技术和装备层出不穷，应用水平同样取得较大幅度的提升，在世界各国的国民经济发展中，特别是信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用。 本文对半导体激光器的发展历史和现状进行了综述，同时因单晶光纤激光器在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，本文也将对其做重点描述。 二、大功率半导体激光器的发展历程。 1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs同质结构注入型半导体激光器。由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要5 × 104～1 ×105 A /cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。从此开始，半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。1963 年，美国的Kroemer和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。随着异质结材料的生长工艺，如气相外延( VPE) 、液相外延( LPE) 等的发展，1967年，IMB 公司的Woodall 成功地利用LPE 在GaAs上生长了AlGaAs。在1968—1970 年期间，美国贝尔实验室的Panish，Hayashi 和Sμmski成功研究了AlGaAs /GaAs单异质结激光器，室温阈值电流密度为8.6 × 103 A /cm2，比同质结激光器降低了一个数量级。
《光纤通信》课程设计
《光纤通信》课程设计报告 设计名称：光纤中光孤子传输特性 专业：08光信息科学与技术 成员姓名：张XX、胡X、 成员学号： 指导老师：李X
光纤中光孤子传输特性 光孤子理论的出现，对于现代通信技术的发展起到了里程碑的作用。因为现代通信技术的发展一直朝着两个方向的努力：一是大容量的传输，二是延长中继距离。光孤子传输不变形的特点决定了他在通信领域的应用前景。普通的光纤通信必须每隔几十千米设立一个中继站，经对信号的脉冲整形放大误码检查后再发射出去，而用光孤子通信则可不设中继站，只要对光纤损耗进行增益补偿，即可把光信号无畸变的传输到很远的地方。 光孤子形成的机理 光孤子是光纤中两种最基本的物理现象，即群速度色散和SPM 共同的作用形成的。光纤中的强度引起的折射率非线性ＳＰＭ效应（光学柯尔效应），在反常区导致的光脉冲压缩可以抵消ＧＶＤ效应形成的光脉冲展宽，从而保持光脉冲传输过程中的形状不变。光孤子的形成机理是光纤中群速度色散和自相位调制效应在反常区的精确平衡。二而光纤耗损造成的脉冲能量的损失，则用每一段传输距离后的光放大器来补偿，保持其非线性效应作用的存在。 光孤子传输 １．系统的构成 将光孤子作为信息的载波可实现光孤子通信，其传输系统如下图： 图 光纤孤子传输系统的基本构成 该系统由5个基本功能组成： １．光孤子发送终端（TX ） ２．光孤子接受终端（RX ） ３．光孤子传输光纤（STF ） ４．光孤子能量补偿放大器（ＯＡ，ＯＡ１－ＯＡｎ） ５．光孤子传输控制装置（ＴＣＳ） 图中ＳＳ为光孤子源，ＭＯＤ为光调制器，ＴＳ为测试设备。 系统中的ＴＸ由超短脉冲半导体或掺饵光纤激光器，光调制器，信息源和光纤功率放大器构成，用于产生光孤子脉冲信号；ＲＸ由宽带光接收机或频谱分析仪，误码仪与条纹相机构成，用于测试系统的传输特性或通信能力；ＳＴＦ由普通单模光纤或色散位移光纤ＤＳＦ构成，OA1--ＯＡｎ由ＥＤＦＡ或ＳＯＡ组成，ＴＣＳ由导频滤波器，强度或相位调制器，非线性元件和色散补偿光纤等组成，设置在沿传输系统不同的区域，用于克服或降低由放大器放大带来的放大自 ｓｓ ｍｏｄ ＯＡ ＯＡ1 STF ＯＡ2 STF STF TCS ＯＡn STF TS TX RX
高功率半导体激光器
光机电信息 Ｓｅｐ．２００８ 钛蓝宝石激光器反射镜 新加坡ＥｄｍｏｕｎｄＯｐｔｉｃｓ公司拥有一系列用于超快激光系统的钛蓝宝石激光反射镜。钛蓝宝石激光反射镜可以使激光脉冲保持平坦的群速度色散曲线，中心波长为８００ｎｍ，在７００～９００ｎｍ范围内曲线都可以保持平坦。 反射镜的直径在１２．７～２５．４ｍｍ之间，厚度为 ６．３５ｍｍ，表面质量为１０－５，表面精度为１／１０波长。 镜子的强度很高，对于脉冲长度为１５０ｆｓ的激光脉冲或１００ｋＷ／ｃｍ２的连续激光，镜子可以承受高达 ０．５Ｊ／ｃｍ２的激光能量。对于７３０～９００ｎｍ波长的偏振 光ｓ和ｐ偏振光，反射镜都可以做到１００％的有效反射。 这些反射镜加工精细，平行度优于５ａｒｃｍｉｎ．，通光口径达到８５％，直径公差为＋０．０／－０．２ｍｍ，厚度公差为±０．２ｍｍ。入射光角度设计为４５°，用于超快激光光束的转向。 ｗｗｗ．ｅｄｍｏｕｎｄｏｐｔｉｃｓ．ｃｏｍ 高功率半导体激光器 德国ＬＩＭＯ公司发布了一种高功率半导体激光 器－ＬＩＭＯ５０－Ｌ２８ｘ２８－ＤＬ７９５－ＥＸ４７３。该激光器可以形成２８ｍｍ×２８ｍｍ×８０ｍｍ的均匀光场，输出功率达到了５０Ｗ，中心波长为７９４．８ｎｍ±０．２ｎｍ，波长稳定性极高，光谱宽度只有０．７ｎｍ。 该激光器可靠性高，经济实用。采用热电致冷或自来水冷却的方式。结构紧凑的激光头外形尺寸为４４５ｍｍ×１１０ｍｍ×６６ｍｍ，非常适用于便携式测量仪器。 ｗｗｗ．ｌｉｍｏ．ｄｅ 平顶光束生成器 ＳｔｏｃｋｅｒＹａｌｅ公司的平顶光束生成器是一种光束 整形模块，它可以把高斯光束转化为聚焦、准直或发散成平顶能量分布的光束，即使经过较长距离也可以保持光束能量和强度的高度均匀。 ＳｔｏｃｋｅｒＹａｌｅ公司的平顶光束生成器适用于紫 外、可见光以及近红外波段的激光器，易于与 ＳｔｏｃｋｅｒＹａｌｅ公司的Ｌａｓｉｒｉｓ或其它类型的激光器相集 成。 ｗｗｗ．ｓｔｏｃｋｅｒｙａｌｅ．ｃｏｍ ４８５ｎｍ皮秒脉冲二极管激光器 德国ＰｉｃｏＱｕａｎｔ公司对外发布了其４８５ｎｍ波长的皮秒脉冲二极管激光头。该激光头可应用于生物 名企名品 ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ＆Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ６４
半导体激光器驱动电路设计(精)
第9卷第21期 2009年11月1671 1819(2009)21 6532 04 科学技术与工程 ScienceTechnologyandEngineering 2009 Sci Tech Engng 9 No 21 Nov.2009 Vol 通信技术 半导体激光器驱动电路设计 何成林 (中国空空导弹研究院,洛阳471009) 摘要半导体激光驱动电路是激光引信的重要组成部分。根据半导体激光器特点,指出设计驱动电路时应当注意的问题,并设计了一款低功耗、小体积的驱动电路。通过仿真和试验证明该电路能够满足设计需求,对类似电路设计有很好的借鉴作用。 关键词激光引信半导体激光器窄脉冲中图法分类号 TN242; 文献标志码 A 激光引信大部分采用主动探测式引信,主要由发射系统和接收系统组成。发射系统产生一定频率和能量的激光向弹轴周围辐射红外激光能量,而接收系统接收处理探测目标漫反射返回的激光信号,而后通过信号处理系统,最终给出满足最佳引爆输出信号。由此可见,激光引信的探测识别性能很大程度上取决于激光发射系统的总体性能,即发射激光脉冲质量。而光脉冲质量取决于激光器脉冲驱动电路的质量。因此,半导体激光器驱动电路设计是激光引信探测中十分重要的关键技术。 图1 驱动电路模型 放电,从而达到驱动激光器的目的。 由于激光引信为达到一定的探测性能,通常会要求激光脉冲脉宽窄,上升沿快,一般都是十几纳秒甚至几纳秒的时间。因此在选择开关器件时要求器件开关速度快。同时,由于激光器阈值电流、工作电流大 [1] 1 脉冲半导体激光器驱动电路模型分析 激光器驱动电路一般由时序产生电路、激励脉冲产生电路、开关器件和充电元件几个部分组成,如图1。 图1中,时序产生电路生成驱动所需时序信号,一般为周期信号。脉冲产生电路以时序信号为输入条件。根据其上升或下降沿生成能够打开开关器件的正激励脉冲或负激励脉冲。开关器件大体有三种选择:双极型高频大功率晶体管、晶体闸流管电路和场效应管。当激励脉冲到来时,开关器件导通,
半导体激光器工作原理及主要参数
半导体激光器工作原理及主要参数 OFweek激光网讯：半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。同质结激光器和单异质结激光器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。半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。 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。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。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。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些 器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。 大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数 十毫安。
光电综合课程设计报告
光电综合课程设计报告 姓名: 李方圆 学号: 1150730006 专业: 应用物理学
目录 1引言 (1) 1.1含义 (1) 1.2结构 (1) 1.3优点 (1) 1.4发展趋势 (2) 2理论分析 (3) 3 MATLAB数值模拟 (3) 3.1 程序主要源代码 (3) 3.2 数值模拟结果 (5) 3.3 结果分析 (5) 4心得体会 (6)
1引言 1.1含义 单包层光纤激光器的输出一般只有几十毫瓦的量级, 因此光纤激光器通常被认为是小功率光电子器件。然而, 对于大多数的激光应用领域, 我们需要更高功率的激光输出。双包层泵浦技术的出现是光纤领域的一大突破, 它使得光纤激光器和光纤放大器真正成为高功率器件。双包层光纤激光器是新型光纤激光器发展的代表，它的优点在于不需要将泵浦能量直接藕合到模场直径相对较小的光纤中去，它可以采用低成本的，大模场(多模)高功率的半导体激光器作为泵浦源。因为这个优势，近几年来，双包层光纤激光器研究受到了极大的关注。 1.2结构 图1 是双包层光纤示意图。光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层组成, 折射率从纤心到外包层依次减小。为保证光纤输出单模激光, 纤芯直径为一般为几个微米, 内包层起着使激光约束在单模纤芯内和成为泵浦光的多模导管作用, 外包层起将泵浦光限制在内包层中的作用。内包层的直径一般为几百微米, 这种设计大大减小了对泵浦源模式的质量要求, 可用价格相对便宜的高功率多模二极管阵列做泵浦源, 通过特定的光学装置或直接人射到光纤,一部分泵浦光藕合到纤芯中, 而大部分泵浦光祸合到内包层中, 内包层中的光受外包层限制, 在内包层之间来回反射, 而不被吸收, 在不断的穿过纤芯的过程中, 被其中的激光介质一稀土元素离子吸收, 所以泵浦光在光纤的一端藕合进人光纤, 在光纤的整个长
大功率半导体激光器的发展介绍
大功率半导体激光器的发展介绍 激光打标机、激光切割机、激光焊接机等等激光设备中激光器起着举足轻重的地位，在激光器的发展历程中，半导体激光器的发展尤为重要，材料加工用激光器主要要满足高功率和高光束质量，所以为了提高大功率半导体激光器的输出功率，可以将十几个或几十个单管激光器芯片集成封装、形成激光器巴条，将多个巴条堆叠起来可形成激光器二维叠阵，激光器叠阵的光功率可以达到千瓦级甚至更高。但是随着半导体激光器条数的增加，其光束质量将会下降。
另外，半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束质量不一致：快轴的光束质量接近衍射极限，而慢轴的光束质量却比较差，这使得半导体激光器在工业应用中受到了很大的限制。要实现高质量、宽范围的激光加工，激光器必须同时满足高功率和高光束质
量。因此，现在发达国家均将研究开发新型高功率、高光束质量的大功率半导体激光器作为一个重要研究方向，以满足要求更高激光功率密度的激光材料加工应用的需求。 大功率半导体激光器的关键技术包括半导体激光芯片外延生长技术、半导体激光芯片的封装和光学准直、激光光束整形技术和激光器集成技术。 （1）半导体激光芯片外延生长技术 大功率半导体激光器的发展与其外延芯片结构的研究设计紧密相关。近年来，美、德等国家在此方面投入巨大，并取得了重大进展，处于世界领先地位。首先，应变量子阱结构的采用，提高了大功率半导体激光器的光电性能，降低了器件的阈值电流密度，并扩展了GaAs基材料系的发射波长覆盖范围。其次，采用无铝有源区提高了激光芯片端面光学灾变损伤光功率密度，从而提高了器件的输出功率，并增加了器件的使用寿命。再者，采用宽波导大光腔结构增加了光束近场模式的尺寸，减小了输出光功率密度，从而增加了输出功率，并延长了器件寿命。目前，商品化的半导体激光芯片的电光转换效率已达到60%，实验室中的电光转换效率已超过70%，预计在不久的将来，半导体激光器芯片的电光转换效率能达到85%以上。 （2）半导体激光芯片的封装和光学准直 激光芯片的冷却和封装是制造大功率半导体激光器的重要环节，由于大功率半导体激光器的输出功率高、发光面积小，其工作时产生的热量密度很高，这对芯片的封装结构和工艺提出了更高要求。目前，国际上多采用铜热沉、主动冷却方式、硬钎焊技术来实现大功率半导体激光器阵列的封装，根据封装结构的不同，又可分为微通道热沉封装和传导热沉封装。
半导体激光器工作原理
半导体激光器工作原理 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。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。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。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 1.波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 2.阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数十毫安。 3.工作电流Iop：激光二极管达到额定输出功率时的驱动电流，此
光电课程设计_光学仿真
概述：一、光源 在光纤通信系统中，光源器件可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。光纤通信系统要求光源具有合适的发射波长，处在光纤的低损耗窗口之中；有足够大的输出功率，从而有较长的传输距离；有较窄的发光谱线，可以减少光纤的色散对信号传输质量的影响；易于与光纤耦合，确保更多的光功率进入光纤；易于调制，响应速度要快，调制失真小，带宽大；在室温下能连续工作，可靠性高，寿命至少在10万小时以上。下面简单介绍已广泛应用的两类半导体光源：半导体发光二极管（LED ）和半导体激光二极管（LD ）。 1 发光二极管（LED ） 发光二极管（LED ）是低速、短距离光波通信系统中常用的光源。其寿命很长，受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜。驱动电路简单，不存在模式噪声等问 题。 发光二极管结构简单，是一个正向偏置的PN 同质结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光。发出的部分光耦合进入光纤供传输使用。LED 所发出的光是非相干光，具有较宽的谱宽（30～60nm ）和较大的发射角（≈100°）。 自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为I ，在稳态时，电子-空穴对通过辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率I/q ，其中发射电子的复合率决定于内量子效率ηint ，光子产生率为(I ηint/q)，因此LED 内产生的光功率为 ()int int /P w q η= (2. 1) 式中，ω 为光量子能量。假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LED 逸出的功率占内部产生功率的份额为ηext ，则LED 的 发射功率为 ()int int /e ext ext P P w q I ηηη== (2. 2) ηext 亦称为外量子效率。由上式可知，LED 发射功率P 和注入电流I 成正比。 发光二极管LED 是光纤通信中的常用光源，它的发光仅仅是自发辐射，属于非相干光源，其输出光发射角较大，但LED 线性度好，调制时动态范围大，信号失真小，也就是P-I 曲线线性好，其P-I 特性曲线如图2.1所示。 图2.1 发光二极管的P —I 特性曲线 15 10 5 0 0 200 400 电流(mA) 发射功率(m W ) 边发光 面发光
课程设计半导体激光器
郑州轻工业学院 课程设计任务书 题目半导体激光器原理及应用 专业、班级学号姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 完成期限： 指导教师签名： 课程负责人签名： 年月日
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 郑州轻工业学院 课程设计说明书题目：半导体激光器原理及应用 姓名：王森 院（系）：技术物理系 专业班级：电子科学与技术09-1 学号：540911010132 指导教师：运高谦 成绩： 时间：年月日至年月日 I
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 摘要 本文主要讲的是半导体激光器的发展历史、工作原理及应用。半导体激光器产生激光的机理,即必须建立特定激光能态间的粒子数反转,并有合适的光学谐振腔。由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性,首先产生激光的具体过程有许多特殊之处,其次所产生的激光光束也有独特的优势,使其在社会各方面广泛应用。从同质结到异质结,从信息型到功率型,激光的优越性也愈发明显,光谱范围变宽,相干性增强,可以说是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。 关键词激光技术；半导体激光器；受激辐射；光场 II
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 Abstract This article is mainly about the history of the development of semiconductor lasers, working principle and applications. Semiconductor lasers produce laser mechanism, which must be established between the specific laser energy state population inversion, and a suitable optical resonator. As the physical structure of the semiconductor material in which electron motion specificity and particularity, while the specific process of producing laser has many special features, the other produced by the laser beam has a unique advantage to make it widely used in all sectors of society . From homo-junction to the heterojunction, the power from the information type to type, is also becoming increasingly apparent superiority of the laser, spectral range, coherence enhanced semiconductor lasers opened a new era in the development of laser applications. Keywords: Laser technique；Semiconductor lasers；Stimulated emission；Optical field III
信息光学课程设计
光纤耦合与特性测试 一、实验目的 1、了解常用的光源与光纤的耦合方法。 2、熟悉光路调整的基本过程，学习不可见光调整光路的办法。 3、通过耦合过程熟悉Glens的特性。 4、了解1dB容差的基本含义。 5、通过实验的比较，体会目前光纤耦合技术的可操作性。 二、实验原理 在光纤线路耦合的实施过程中，存在着两个主要的系统问题：即如何从各种类型的发光光源将光功率发射到一根特定的光纤中（相对于目前的光源而言），以及如何将光功率从一根光纤耦合到另外一根光纤中去（相对于目前绝大多数光纤器件而言）。对于任一光纤系统而言，主要的目的是为了在最低损耗下，引入更多能量进入系统。这样可以使用较低功率的光源，减少成本和增加可靠度，因为光源是不能工作在接近其最大功率状态的。 光学耦合系统的1dB失调容差定义为当耦合系统与半导体激光器之间出现轴向、横向、侧向和角向偏移，从而使得耦合效率从最大值下降了1dB时的位置偏移量。1dB失调容差对于实用化的光学耦合系统来说是一个重要的衡量指标．因为任何半导体激光器组件中都存在如何将耦合系统与半导体激光器芯片相对固定(封装)的问题，不论采用何种固定方式，都不可避免地存在由于封装技术不完善及环境因素变化而造成的位置失调现象。一个光学耦合系统具有效大的失调容差就意味着该系统在封装时允许出现较大的位置失调．因而可以来用结构简单、定位精度不太高的低成本封装技术。 光纤系统中，必须考虑光源的辐射空间分布（角分布）、发光面积，光纤的数值孔径、纤芯尺寸和光纤的折射率剖面等等，使尽可能多的光能量进入光纤当中。对于耦合系统，通常要求具有以下几个特点： 1. 大的1dB容差。大的容差是工业生产的一个基本条件，容差越大，才可能产量越大，成本越低。 2. 弱的光反馈。目前低成本光源一般不配置隔离器，所以对于耦合系统来说，弱的光反馈意味着光源的稳定性的提高。 3. 简单易操作、耦合效率高、稳定。
半导体激光器的设计
半导体激光器设计 半导体激光器产生激光的机理,即必须建立特定激光能态间的粒 子数反转，并有光学谐振腔。由于半导体材料物质结构的特异性和 其中电子运动的特殊性,一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处,另一方面所产生的激光光束也有独特的优势,使其在社会各方面广 泛应用。从同质结到异质结,从信息型到功率型,激光的优越性也愈 发明显,光谱范围宽, 相干性增强,使半导体激光器开启了激光应用 发展的新纪元。 1半导体激光器的工作原理 激光产生原理 半导体激光器是一种相干辐射光源,要使它能产生激光,必须具 备三个基本条件: (1)增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布,在 半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带,因此在半导体中要实现粒子数反转,必须在两个能带区域之间,处 在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多,这靠 给同质结或异质结加正向偏压,向有源层内注入必要的载流子来实现。将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。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。 (2)要实际获得相干受激辐射,必须使受激辐射在光学谐振腔内 得到多次反馈而形成激光振荡,激光器的谐振腔是由半导体晶体的自
然解理面作为反射镜形成的,通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜,而出光面镀上减反膜.对F—p腔 (法布里一珀罗腔)半导体激 光器可以很方便地利用晶体的与P—n结平面相垂直的自然解理面 一[110]面构成F—P腔。 (3)为了形成稳定振荡,激光媒质必须能提供足够大的增益,以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗,不断增加腔内的光场.这就必须要有足够强的电流注入,即有足够的粒子数反转,粒子数反转程度越高,得到的增益就越大,即要求必须满足一定的电流阀值条件.当激光器达到阀值时,具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大,最后形成激光而连续地输出. 可见在半导体激光器中,电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。 1.2 双异质结基本结构 将有源层夹在同时具有宽带隙和低折射率的两种半导体材料之间，以便在垂直于结平面的方向（横向）上有效地限制载流子和光子。用此结构于1970年实现了GaAlAs／GaAs激射波长为0.89 μm 的半导体激光器在室温下能连续工作。 图表示出双异质结激光器的结构示意图和相应的能带图在正向 偏压下
《激光原理》教案
《激光原理》教案
激光原理教案第 2 页
组织教学〗 调节课堂气氛调动学生积极性， 共同创设和谐活跃的课堂气氛 〖导入任务〗 各位同学大家好，欢迎来到“激光原理”课程。光是我们获取外界信息的源泉，如这张M51星云的天文照片所示，由星体发出光经历3100万年的长途“奔波” 才来到我们的地球，被我们所观察到，3100万年的历史也在光的传播路径上逐渐展开。通过我们在大学物理课程的基本学习，我们了解到光是我们电磁波谱中的一段，那么除了我们自然中存在的天然光线，有没有与自然光完全不同的人造线呢？这里我们来看一段视频。 任务 播放电影片段 播放电影《星球大战前传2：西斯的复仇》电影片段 任务 提问 任务 激光名称的由来 讲解“激光”名称的由来：“死光”： 引入式教学，发引导学生思考：与众不同的人 造光线？ 学习的目标对象与需要注意的重点：独特特点。多媒体演示 启发学生思考：自己概念中的激光是什么？
童恩正，《珊瑚岛上的死光》，1978年 “镭射” ：LASER 的音译 ? LASER ： – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ? 激光： – 受激辐射光放大 任务 激光名称的由来 讲解激光发明史，将光学的最初发展与近现代物理的相关成就进行展示，讲解对于光的认识的发展历程： 17世纪 惠更斯， 虎克 19世纪 麦克斯韦 19世纪末 电磁场理论 19世纪末 “两朵乌云 1900年 普朗克 “量子” 1905年 普朗克 “光子” 1913年 玻尔 “原子结构” 1917年 爱因斯坦 “受激辐射” 1928年 Landenburg “受激辐射” “负吸收” 1947年 Lamb“氢原子光谱” 1954年 Townes“Maser” 1960年 Maiman “Laser” 着重讲解梅曼的发明历史故事： ? 1960年5月，休斯实验室的Maiman 和Lamb 共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm 的红色 激光，这是公认的世界上第一台激光器。 任务 激光器的种类与发明时间 PPT PPT 提问：器是由哪些部分构成的？引导学生注意激 光器的基本结构。
半导体激光器设计
半导体激光器设计 摘要:半导体激光器产生激光的机理,即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有光学谐振腔。由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，使半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。 关键词：受激辐射；光场;同质结;异质结;大功率半导体激光器 、八— 0刖言 半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD）, 是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化傢（GaAs）,硫化镉（CdS）等,激励方式主要有电注入式,光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作；从同质结发展成单异质结双异质结,量子阱（单,多量子阱）等多种形式。半导体激光器因其波长的扩展，高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展.半导体激 光器的体积小，重量轻,成本低,波长可选择，其应用遍布临床，加工制造，军事,其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。 1半导体激光器的工作原理 1.1激光产生原理 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件：（1）增益条件：建立起激射媒质（有源区）内载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多,这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注入必要的载流子来实现。将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。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
工业用大功率半导体激光器发展状况激光材料加工、信息与通信、(精)
工业用大功率半导体激光器发展状况 激光材料加工、信息与通信、医疗保健与生命科学以及国防是世界范围内激光技术的四个最主要的应用领域，其中激光材料加工所占比例最大，同时也是发展最快、对一个国家国民经济影响最大的激光技术应用领域。激光材料加工技术在工业领域应用的广泛程度，已经成为衡量一个国家工业水平高低的重要标志。 激光材料加工用大功率激光器经历了大功率CO2激光器、大功率固体YAG激光器后，目前正在朝着以半导体激光器为基础的直接半导体激光器和光纤激光器的方向发展。在材料加工应用中，以大功率半导体激光器为基础的直接半导体激光器和光纤激光器，不仅具备以往其他激光器的优势，而且还克服了其他激光器效率低、体积大等缺点，将会在材料加工领域带来一场新的技术革命，就如同上世纪中叶晶体管取代电子管、为微电子技术带来的革命一样。因此，直接半导体激光器和光纤激光器是未来材料加工用激光器的发展方向之一。 下面将介绍近年来大功率半导体激光器的发展现状，以及目前提高半导体激光器输出功率和改善光束质量的方法和最新进展，同时介绍大功率半导体激光器在材料加工中的应用现状、分析展望大功率半导体激光器的 发展趋势。 图1：半导体激光器多光束合成技术示意图 高功率和高光束质量是材料加工用激光器的两个基本要求。为了提高大功率半导体激光器的输出功率，可以将十几个或几十个单管激光器芯片集成封装、形成激光器巴条，将多个巴条堆叠起来可形成激光器二维叠阵，激光器叠阵的光功率可以达到千瓦级甚至更高。但是随着半导体激光器条数的增加，其光束质量将会下降。另外，半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束质量不一致：快轴的光束质量接近衍射极限，而慢轴的光束质量却比较差，这使得半导体激光器在工业应用中受到了很大的限制。要实现高质量、宽范围的激光加工，激光器必须同时满足高功率和高光束质量。因此，现在发达国家均将研究开发新型高功率、高光束质量的大功率半导体激光器作为一个重要研究方向，以满足要求更高激光功率密度的激光材料加工应用的需求。
基于ZEMAX的半导体激光准直仿真设计
引言 半导体激光器( laser diode， LD) 以其体积小效率高易于集成可高速直接调制等优点，被广泛用于激光雷达激光测量激光照明激光制导激光打印以及高密度信息记录与读取等领域。但是半导体激光器发射的激光光束具有在垂直和平行于结平面两个方向发散角不同光斑形状不规则( 如一般是椭圆型或长条型) 存在固有像散等缺点，这使得半导体激光3 维扫描成像雷达的测程测距精度大大受影响，为了适用于远距离空间激光测距，必须对半导体激光发散光束进行准直。作者主要采用椭圆面柱透镜，对905nm 的半导体激光做准直整形处理，使得激光的发散角尽可能的小，接收物体表面的激光光斑尽可能的小，而且规则，从而达到提高测程和测距精度的目的。 1.理论分析及计算 采用 OSARM 公司的型号为 SPL LL90 _3 的半导体激光器查看使用说明书得 到: SPL LL90_3 型号的半导体激光器在弧矢( 平行于结平面) 方向上的发散角 = 15°，在子午( 垂直于结平面) 方向上的发散角= 30°，整个激光器的峰值功率为70W半导体激光器有源区只有约 0. 1 m ～ 0. 2 m 的厚度，可以近似看作沿慢轴方向的线光源根据半导体激光束两个方向的发散角不同的特点，采用两个互相垂直的柱透镜组分别对两个方向的光束进行准直，选用的两个柱面镜面型为椭圆面如图1 所示，半导体激光器发出的子午光线先经过母线平行于激光束慢轴方向的柱透镜后变成准平行光束( 平行光束不可能实现) 由于第 2 个柱透镜 M2对于子午光线的发散角无影响，可看作平板玻璃图2 显示弧矢光线经过第1 个透镜 M1 时，光束会发生偏移，但不会影响光束的发散角，在经过第 2 个柱透镜时，弧矢光也同样得到准直，输出准平行光。