半导体激光器的应用与分类
半导体光发射器是电流注入型半导体PN结光发射器件，具有体积小、重量轻、直接调制、宽带宽，转换效率高、高可靠和易于集成等特点，被广泛应用。按照其发光特性，可分为激光二极管（又称半导体激光器或二极管激光器，Laser Diode，LD），通常光谱宽度不]于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管(Superluminescent Dmde,SLD)，光谱宽度不大于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管（Light Emiltting，LED），光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管（Superluminescent SLD），光谱宽度为30～50nm，本节重点介绍几种半导体激光器，钽电容简要介绍超辐射发光二极管。
半导体激光器的分类有多种方法。按波长分：中远红外激光器、近红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等；按结构分：双异质结激光器、大光腔激光器、分布反馈激光器、垂直腔面发射激光器；按应用领域分：光通信激光器、光存储激光器、大功率泵浦激光器、引信用脉冲激光器等；按管心组合方式分：单管、阵列（线阵、面阵）；按注入电流工作方式分：脉冲、连续、准连续等。
LD主要技术摄技术指标有光功率、中心波长、光谱宽度、阈值电流、工作电流、工作电压、斜率效率和电光转换效率等。
半导体激光器的光功率是指在规定驱动电流条件下输出的光功率，该指标直接与工作电流对应，这体现了半导体激光器的电流驱动特性。如果是连续驱动条件，T491T336M004AT则输出功率就是连续光功率，如果是脉冲驱动条件，输出的光功率可用峰值功率或平均功率来衡量。hymsm%ddz
半导体激光器的中心波长是指激光器所发光谱曲线的中心点所对应的波长，通常用该指标来标称激光器的发光波长。光谱宽度是标志个导体激光器光谱纯度的一个指标，通常用光谱曲线半高度对应的光谱全宽来表示。
半导体激光器的光场是发散的而且是不对称的。在垂直PN结平面方向（快轴方向），发散角较大，通常在20°～45°之间；在平行PN结平面方向（慢轴方向），发散角较小，通常在6°～12°之间。由此可以看出，半导体二极管激光器的光场在空间分布呈椭圆形。
半导体激光器阈值电流是指只有驱动电流高于该阈值电流，激光器才会有激光输出，这一特点也是激光器区别于发光管的一个特点，发光管没有阈值特性。半导体激光器的工作电流是指激光器正常工作时所对应的工作电流，工作电压是指正常工作时PN结两端或正负极之间的电压。
导体激光器的斜率效率是指PN曲线的斜率，单位为W/A。它表征激光器注入单位电流转换为光功率的能力。
电光转换效率是指注入单位电功率转换为光功率的比值，这一指标是激光器内量子效率、外量子效率、串联电阻等指标的综合体现。
LD的主要光电指标均对温度敏感，随工作温度升高性能下降，波长随温度升高而向长波方向发生移动。对输出功率和波长稳定性有较高要求时，需要进行功率和温度控制，通常把LD做成一个发射组件，即在LD后腔面集成一个光电二极管用于监测光功率；在热沉的适当位置设置热敏电阻，监测光源工作温度。
主要有光纤通信、激光引信、激光雷达、激光测距、激光制导、核爆模拟等。
(1)光纤通信用半导体激光器
1310nm半导体激光器、1550mn分布反馈（Distributing Feedhaek，DFB）半导体激光器和980nm半导体激光器为光纤通信的三个主导产品。其中1310nm和1550nm分别对应石英光纤低色散和低损耗窗口，可实现光纤通信大容量、长距离传输。若将980nm激光器为泵源的掺铒光纤放大器引入到1550nm光纤通信系统，可实现无中继的直接光放大，系统传输距离达300k m以上。半导体激光器性能的提高有力地推动着信息技术的发展。
(2)蓝、绿光半导体激光器T491C476K004AT
蓝、绿光激光在海水中传播时，损耗低，在水下100m传播时的损耗要比其他波长的光低约20dB；蓝、绿光在水中的穿透能力达600m，因此，利用它可实现海中潜艇之间的通信。
(3)泵浦源大功率半导体激光器
不同波长的连续、准连续大功率半导体激光器商用进程的加快，源于量子阱( Quantum Well，QW)和应变量子阱(Strain Layer QW，SL - QW)新
型外延技术突破。量子阱材料生长技术将大功率半导体激光器的指标提高
到一个新水平：1c m线阵LD连续波输出功率达121W，转换效率为45%，输
出功率最高达到200W以上。输出功率为600W、l k W、1.5kW、3kW等高功
率LD阵列系列均商用化。美国准连续L D阵列最高输出功率达42kW。高效率、高功率LD及其列阵性能的迅速提高也推动了全固态激光器的迅猛发展。
(4)高速激光器
高速激光器可实现微波信号或数字信号在光纤中的传输，是高速光通信、高速数字信号传输、光纤延迟线、光控相控阵天线和机载雷达装置中光纤同步系统的理想光源。射频信号由SMA插头经微带传输线加载到激光器上，产生调制光输出。2.5Gb/s，1310nmDFB激光器组件具有直接凋制动态单模特性，边模抑制能力强，数字电信号强度可调制LD变成光脉冲在光纤系统中
传输。美、日、德等国的短波长激光器的调制频率已达到20G～30GHz 以上。应变层量子阱激光器足新一代高速宽频带光源，根据理论讣算，应变In x Ca1-
/A s/InP/MQW LD的3dB本征带宽可达到90GHz。
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(5)超辐射发光二极管
大功率宽光谱超辐射发光二极管为弱相干光源，具有较大的光输出功率，光斑尺寸与激光光斑尺寸相近，作为光纤陀螺的光源，能有效地与单模光纤耦合，其大功率可提高系统信噪比；宽发射光谱可降低瑞利噪声，减小由偏振交叉耦合和克尔效应引起的相干误差，KEMET从而提高陀螺的灵敏度和检测精度，采用八针蝶式SLD光纤陀螺结构紧凑，功耗低，可靠性高。
激光器的分类 自从上世纪60年代以来，激光器已经发展出了众多类型，主要包括不同的工作介质、不同的脉宽，因此我们按照激光器的工作介质和输出脉冲两个思路对目前主要的激光器进行分类，并且介绍相关的激光术语。 按激光工作介质，激光器可以分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器、染料激光器和自由电子激光器。 固体激光器(晶体，玻璃)：在基质材料中掺入激活离子而制成，都是采用光泵浦的方式激励。 1）钕玻璃激光器：在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质， 输出波长：λ=1.053μm 2）红宝石激光器： 输出波长：λ=694.3nm， 输出线宽：?λ=0.01～0.1nm 工作方式：连续，脉冲 3）掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)：YAG晶体内掺进稀土元素钕，
输出波长：λ=1064nm,914nm,1319nm 工作方式：连续，高重复率脉冲 连续波可调谐钛蓝宝石激光器： 输出波长：λ=675～1100nm 气体激光器：在单色性/光束稳定性方面比固体/半导体/液体激光器优越，频率稳定性好，是很好的相干光源，可实现最大功率连续输出，结构简单，造价低，转换效率高。谱线丰富，多达数千种(160nm--4mm)。 工作方式：连续运转(大多数) 1）氦-氖激光器： 常用的为λ=632.8nm 根据选择的工作条件激光器可以输出近红外，红光，黄光，绿光 (λ=3.39μm,1.15μm) 2）CO2激光器：λ=10.6μm 3）氩离子气体激光器：λ=488nm,514.5nm 4）氦-镉激光器：波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝光 5）铜蒸汽激光器：波长510.5nm的绿光和578.2nm的黄光 6）氮分子激光器：紫外光，常见波长：337.1nm，357.7nm 半导体激光器：由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的激光器；体积最小，重量最轻，使用寿命长，有效使用时间超过10万小时。工作物质包括GaAS(砷化镓)，InAS(砷化铟)，Insb(锑化铟)，CdS(硫化镉)。 输出波长范围：紫外，可见，红外 DFB半导体激光器，
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
半导体激光器的发展与运用 0 引言激光器的结构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, 制作方法从扩散法发展到液相外延（LP日、气相外延（VPE）、分子束外延（MBE）、金属有机化合物气相淀积（MOCVD）、化学束外延（CBE 以及它们的各种结合型等多种工艺[5].半导体激光器的应用范围十分广泛，而且由于它的体积小，结构简单,输入能量低,寿命长,易于调制和价格低等优点, 使它已经成为当今光电子科学的核心技术,受到了世界各国的高度 重视。 1 半导体激光器的历史 半导体激光器又称激光二极管（LD）。随着半导体物理的发展,人们早在20 世纪50 年代就设想发明半导体激光器。 20 世纪60 年代初期的半导体激光器是同质结型激光器, 是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。在1962 年7 月召开的固体器件研究国际会议上,美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（KeyeS和奎斯特（Quist、报告了砷化镓材料的光发射现象。 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,GaAIAs所组成的激光器。单异质结注人型激光器（SHLD，它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP 一N 结的P 区之内,以此来降低阀值电流密度的激光
器。 1970 年,人们又发明了激光波长为9 000? 在室温下连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs（砷化稼一稼铝砷）激光器. 在半导体激光器件中,目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs 二极管激光器. 从20 世纪70 年代末开始, 半导体激光器明显向着两个方向发展,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。在泵浦固体激光器等应用的推动下, 高功率半导体激光器（连续输出功率在100W 以上,脉冲输出功率在5W 以上, 均可称之谓高功率半导体激光器）在20 世纪90 年代取得了突破性进展,其标志是半导体激光器的输出功率显著增加,国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化,国内样品器件输出 已达到600W另外，还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中,可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长,可以很方便地对输出 光束进行调制。 20 世纪90 年代末,面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展。 目前,垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络,为了满足21 世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要,半导体激光器的发展趋势主要是向高速宽带LD大功率LD短波长LD盆子线和量子点激光器、中红外LD
题目：半导体激光器的发展与应用学院：理 专业：光 姓名：刘
半导体激光器的发展与应用 摘要：激光技术自1960年面世以来便得到了飞速发展，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。半导体激光器的独特性能及优点，使其获得了广泛应用。本文就简要回顾半导体激光器的发展历程，着重介绍半导体激光器在日常生活与军用等各个领域中的应用。 关键词：激光技术、半导体激光器、军事应用、医学应用
引言 激光技术最早于1960年面世，是一种因刺激产生辐射而强化的光。激光被广泛应用是因为它具有单色性好、方向性强、亮度高等特性。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等易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态，当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子，以放出多余的能量；而接着，这些被放出的光子又会撞击其它原子，激发更多的原子产生光子，引发一连串的“连锁反应”，并且都朝同一个方前进，形成强烈而且集中朝向某个方向的光。这种光就叫做激光。激光几乎是一种单色光波，频率范围极窄，又可在一个狭小的方向内集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。激光因为拥有这种特性，所以拥有广泛的应用。 激光技术的核心是激光器，世界上第一台激光器是1960年由T.H.梅曼等人制成的第红宝石激光器，激光器的种类很多，可按工作物质、激励方式、运转方式、工作波长等不同方法分类。但各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。 半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器。在1962年7月美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）与其他研究人员一道研制出世界上第一台半导体激光器。 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（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。自1962年世界上第一只半导体激光器是问世以来，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高！半导体激光器具有体积小、效率高等优点，因此可广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。
激光器的分类介绍 实际应用的激光器种类很多，如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激光器、液体激光器、固定激光器、半导体激光器、化学激光器等。在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。如固体激光器中有红宝石激光器、钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器。气体型的激光器主要有He-Ne（氦－氖）、CO2及氩离子激光器等。由于工作物质不同，产生不同波长的光波不同，因而应用范围也不相同。最常用而范围广的有CO2laser及Nd：YAG激光。有的激光器可连续工作，如He-Ne laser；有的以脉冲形式发光工作。如红宝石激光。而另一些激光器既可连续工作，又可以脉冲工作的有CO2laser及Nd：YAG laser。 （一）固体激光器 实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质（即含有亚稳态能级的工作物质）。如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器，分别称为晶体激光器和玻璃激光器，通常把这两类激光器统称为固体激光器。 在激光器中以固体激光器发展最早，这种激光器体积小，输出功率大，应用方便。由于工作物质很复杂，造价高。当今用于固体激光器的物质主要有三种：掺钕铝石榴石（Nd：YAG）工作物质，输出的波长为1.06μm呈白蓝色光；钕玻璃工作物质，输出波长 1.06μm呈紫蓝色光；红宝石工作物质，输出波长为694.3nm，为红色光。主要用光泵的作用，产生光放大，发出激光，即光激励工作物质。 固定激光器的结构由三个主要部分组成：工作物质，光学谐振腔、激励源。聚光腔是使光源发出的光都会聚于工作物质上。工作物质吸收足够大的光能，激发大量的粒子，促成粒子数反转。当增益大于谐振腔内的损耗时产生腔内振荡并由部分反射镜一端输出一束激光。工作物质有2条主要作用：一是产生光；二是作为介质传播光束。因此，不管哪一种激光器，对其发光性质及光学性质都有一定要求。 （二）气体激光器 工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体，有的物质在通常条件下是液体（如非金属粒子的有水、汞），及固体（如金属离子结构的铜，镉等粒子），经过加热使其变为蒸气，利用这类蒸气作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。气体激光器中除了发出激光的工作气体外，为了延长器件的工作寿命及提高输出功率，还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。 气体激光器大多应用电激励发光，即用直流，交流及高频电源进行气体放电，两端放电管的电压增压时可加速电子，带有一定能量，在工作物质中运动的电子
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,
激光器的原理及分类 一、基础原理 量子理论认为，所有物质都是由各种微观”粒子”组成,如分子,原子,质子,中子,电子等。在微观世界里,各种粒子都有其固有的能级结构。当一个粒子从高能级掉到低能级时，根据能量守恒定律，它要把两个能级相差部分的能量释放出来，通常这个能量以光和热两种形式释放出来。 二、自发辐射、受激辐射 1、自发辐射 普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。但是处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量=E2-E1。过程各自独立、互补关联，所有辐射的光在发射方向上是无规律的射向四面八方，并且频率不同、偏振状态和相位不同。 2、受激辐射 在原子中也存在这样一些特定高能级，一旦电子被激发到这个高能级之上，却由于不满足跃迁的条件，发生跃迁的几率很低，电子能够在高能级上的时间很
长，就所谓的亚稳定状态。但在能在外界光场的照射下发生往下跃迁，并且向下跃迁时释放出一个与射入光场相同的光子，在同一个方向、有同一个波长。这就是受激辐射，激光正是利用这一原理激发出来。 二、粒子数反转 通过受激辐射出来的光子，不仅可以引起其他粒子受激辐射，也可以引起受激吸收。只有在处于高能级的原子数量大于处于低能级原子数时，所产生的受激辐射才能大于受激吸收。但是在自然条件下，原子都是都处于稳定的基态，只能通过技术手段将大量的原子都调整到高能级的状态，才能有多余的辐射向外产生。这个技术叫粒子数反转。 三、光放大过程 通过粒子数反转后，其中一个粒子首先在外界光场的照射刺激下，对外发出了一个光子，这个光子又刺激其他粒子再次对外发射光子，并且方向相同，波长
收稿日期:2003-03-18. 基金项目:教育部高等学校骨干教师资助计划项目(教技司2000962号)1 光电器件 大功率半导体激光器驱动器的研究与设计 邓 军,单江东,张 娜,田小建 (吉林大学电子科学与工程学院,吉林长春130023) 摘 要: 介绍了大功率半导体激光器恒流源的设计方法。该恒流源采用功率M OSFET 作电流控制元件,运用负反馈原理稳定输出电流。实际应用表明该恒流源对激光器安全可靠,输出电流 的短期稳定度达到1×10-5。 关键词: 半导体激光器;恒流源;驱动电路;功率M OSFET 中图分类号: T N245 文献标识码: A 文章编号: 1001-5868(2003)05-0319-02 R esearch and Design of H igh 2pow er Semiconductor Laser Diode Driver DE NGJun ,SH AN Jiang 2dong ,ZH ANG Na ,TI AN X iao 2jian (School of E lectronic Science and E ngineering ,Jilin U niversity ,Ch angchun 130023,CHN ) Abstract : The design of constant 2current supply power for a high 2power semiconductor laser diode is desribed.This constant 2current power supply uses a power M OSFET as the current control device ,and which uses the principle of negative feedback to adjust and stabilize the output current.The practical application indicates that the constant 2current power supply is safe and reliable to the laser diode ,with the short term stability of output current up to 1×10-5. K ey w ords : semiconductor laser diode ;constant 2current power supply ;drive circuit ;power M OSFET 1 引言 半导体激光器不仅具有一般激光器高单色性、 高相干性、高方向性和准直性的特点,还具有尺寸小、重量轻、低电压驱动、直接调制等优良特性,因而被越来越广泛地用于国防、科研、医疗、光通信等领域。然而,由于半导体激光器是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件,对于电冲击的承受能力很差,微小的电流将导致光功率输出的极大变化和器件参数(如激射波长,噪声性能,模式跳动)的变化,这些变化直接危及器件的安全使用,因而在实际应用中对驱动电源的性能和安全保护有着很高的要求[1]。我们在恒流源的设计过程中,着重考虑了对激光器进行安全有效的保护,如限流问题,防止浪涌冲击问题,延时软启动问题等[2]。 2 驱动器的系统组成与工作原理 恒流源的系统组成框图如图1所示,整体设计方案采用深度负反馈控制原理,直接提供驱动电流电平的有效控制,由此获得最低的电流偏差和最高的激光器输出稳定性[3] 。 图1 系统方框图 整个恒流源由电压基准电路、电压电流转换电路、保护电路、末级电路和显示电路组成。在这里,我们采用2.5V 的电压基准,该电压基准产生一个稳定的基准电压,并经过适当地放大后送入运放的 《半导体光电》2003年第24卷第5期邓 军等: 大功率半导体激光器驱动器的研究与设计
浅谈半导体激光器及其应用 摘要：近十几年来半导体激光器发展迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。由于半导体激光器的一些特点，使得它目前在各个领域中应用非常广泛，受到世界各国的高度重视。本文简述了半导体激光器的概念及其工作原理和发展历史,介绍了半导体激光器的重要特征,列出了半导体激光器当前的各种应用,对半导体激光器的发展趋势进行了预测。 关键词：半导体激光器、激光媒质、载流子、单异质结、pn结。 自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来,半导体激光器发生了巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域,已成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点,使得它目前在光电子领域中应用非常广泛,已受到世界各国的高度重视。 一、半导体激光器 半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn 结或Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光工作物质有几十种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等。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。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入,即给Pn 结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射,也就是说是个正向偏置的二极管。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说,由于电子是在各能带之间进行跃迁,而不是在分立的能级之间跃迁,所以跃迁能量不是个确定值, 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3～34μm之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙,最常见的是AlGaAs双异质结激光器,其输出波长为750～890nm。 半导体激光器制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE), 气相外延法(VPE),分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积),化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大,光束的发散角较大(一般在几度到20度之间),所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展, 半导体激光器的研究正向纵深方向推进,半导体激光器的性能在不断地提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21 世纪的信息社会中将取得更大的进展, 发挥更大的作用。 二、半导体激光器的工作原理 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—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
激光器的种类及性能参数总结 半导体激光器——用半导体材料作为工作物质的一类激光器 中文名称： 半导体激光器 英文名称： semiconductor laser 定义1： 用一定的半导体材料作为工作物质来产生激光的器件。 所属学科： 测绘学（一级学科）；测绘仪器（二级学科） 定义2： 以半导体材料为工作物质的激光器。 所属学科： 机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科） 定义3： 一种利用半导体材料PN结制造的激光器。 所属学科： 通信科技（一级学科）；光纤传输与接入（二级学科） 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。 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。 准分子激光器——以准分子为工作物质的一类气体激光器件。 中文名称： 准分子激光器 英文名称： excimer laser 定义：
半导体激光器驱动电源的控制系统 使用单片机对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效地实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度。同时为激光器驱动电源性能的提高和扩展提供了有利条件。 1 总体结构框图 本系统原理，主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能，整个系统由单片机控制。本系统中选用了C8051F单片机。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，他在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，如本系统中用到的ADC和DAC。这些外设部件的高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，也大大降低了系统的成本。光功率及温度采样模拟信号经放大后由单片机内部A/D 转换为数字信号，进行运算处理，反馈控制信号经内部D/A转换后再分别送往激光器电流源电路和温控电路，形成光功率和温度的闭环控制。光功率设定从键盘输入，并由LED数码管显示激光功率和电流等数据。 2 半导体激光器电源控制系统设计 目前，凡是高精密的恒流源，大多数都使用了集成运算放大器。其基本原理是通过负反作用，使加到比较放大器两个输入端的电压相等，从而保持输出电流恒定。并且影响恒流源输出电流稳定性的因素可归纳为两部分：一是构成恒流源的内部因素，包括：基准电压、采样电阻、放大器增益(包括调整环节)、零点漂移和噪声电压;二是恒流源所处的外部因素，包括：输入电源电压、负载电阻和环境温度的变化。 2.1 慢启动电路 半导体激光器往往会因为接在同一电网上的多种电器的突然开启或者关闭而受到损坏，这主要是由于开关的闭合和开启的瞬间会产生一个很大的冲击电流，就是该电流致使半导体激光器损坏，介于这种情况，必须加以克服。因此，驱动电源的输入应该设计成慢启动电路，以防损坏，：左边输入端接稳压后的直流电压，右边为输出端。整个电路的结构可看作是在射级输出器上添加了两个Ⅱ型滤波网络，分别由L1，C1，C2和L2，C6，C7组成。电容C5构成的C型滤波网络及一个时间延迟网络。慢启动输入电压V在开关和闭合的瞬间产生大量的高频成分，经过图中的两个Ⅱ型网络滤出大部分的高频分量，直流以及低频分量则可以顺利地经过。到达电阻R和C组成的时间延迟网络，C2和C4并联是为了减少电解电容对高频分量的电感效应。 2.2 恒流源电路的设计 为了使半导体激光器稳定工作，对流过激光器的电流要求非常严格，供电电路必须是低噪声的稳定恒流源驱动，具体电路。 使用单片机对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效地实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度。同时为激光器驱动电源性能的提高和扩展提供了有利条件。 1 总体结构框图 本系统原理，主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能，整个系统由单片机控制。本系统中选用了C8051F单片机。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，他在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，如本系统中用到的ADC和DAC。
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Keywords (1) 1引言 (2) 2激光 (2) 2.1激光产生的三个条件 (3) 2.2激光的特点 (3) 2.3激光器 (3) 3 CO2激光器的原理 (5) 3.1 CO2激光器的基本结构 (5) 3.2 CO2激光器基本工作原理 (7) 3.3 CO2激光器的优缺点 (8) 4 CO2激光器的应用 (9) 4.1军事上的应用 (9) 4.2医疗上的应用 (10) 4.3工业上的应用 (12) 5 CO2激光器的研究现状与发展前景 (14) 5.1 CO2激光器的研究现状 (14) 5.2 CO2激光器的发展前景 (15) 6 结束语 (17) 参考文献 (19) 致谢 (20)
摘要：本文从引言出发介绍了CO2激光技术的基本情况，简单介绍了激光和激光器的一些特点，重点介绍了气体激光器中的CO2激光器的相关应用，目前CO2激光器是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的高功率、高质量等优点。论文首先介绍了应用型CO2激光器的基本结构和工作原理，着重介绍了应用型CO2激光器在军事、医疗和工业三个主要领域的应用，最后介绍应用型CO2激光器的研究前景和现状。通过这些介绍使得人们能够加深对CO2激光器的了解和认识。 关键词: CO2激光器；基本原理；基本结构；应用； Abstract: This departure from the introduction of CO2 laser technology, introduced the basic situation, briefly introduced some of the characteristics of laser and laser to highlight the CO 2gas laser in laser-related applications, the current CO 2 laser was one of the most extensive laser, it had some very prominent high-power, high quality and so on. Paper introduced the application of CO 2 laser-type basic structure and working principle, focusing on the application type CO 2 laser in the military, medical and industrial application of the three main areas, Finally, applied research prospects for CO 2 laser and status. Through these presentations allowed people to deepen their knowledge and understanding of CO s lasers. Keywords:CO2Laser Basic Principle Basic Structure Application
编号 赣南师范学院学士学位论文固体激光器原理及应用 教学学院物理与电子信息学院 届别 2010届 专业电子科学与技术 学号 060803013 姓名丁志鹏 指导老师邹万芳 完成日期 2010.5.10
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 1引用 (2) 2激光与激光器 (2) 2.1激光 (2) 2.2激光器 (3) 3固体激光器 (4) 3.1工作原理和基本结构 (4) 3.2典型的固体激光器 (8) 3.3典型固体激光器的比较 (11) 3.4固体激光器的优缺点 (12) 4固体激光器的应用 (13) 4.1军事国防 (13) 4.2工业制造 (15) 4.3医疗美容 (17) 5结束语 (17) 参考文献 (19)
摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 Abstract:Solid-state laser is currently one of the most extensive laser,it has some very obvious advantages.The working principle of solid-state lasers and applications were described in the paper and it can enhance the understanding.In this paper, starting with the basic principles and structure of the introduced solid-state laser,and then some typical solid-state lasers and a presentation on its military defense,industrial technology,medical and cosmetic applications in three areas and future development direction were introduced. Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application
激光器原理及分类 激光器是能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。下面小编为大家介绍下激光器。 一、激光器原理 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同。产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大于损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。 二、激光器分类 可调谐激光器 可调谐激光器tunablelaser是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器（见激光）。这种激光器的用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。 单模激光器 输出为单横模(一般为基模)、多纵模的激光器。
化学氧碘激光器 化学氧碘激光器是一种机载激光器。机载激光器系统是以改型的波音 747-400F飞机作为发射平台（代号YAL-1A），以产生高能激光的化学氧碘激光器为核心，配置跟踪瞄准系统和光束控制与发射系统，利用激光作为能量直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。 二氧化碳激光器 二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。放电管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮气，一般还有少量的氢或氙气）；电极一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高电压（一般是直流的或低频交流的），放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有激光输出，其波长为10.6微米附近的中红外波段；一般较好的管子。一米长左右的放电区可得到连续输出功率40～60瓦。CO2激光器是一种比较重要的气体激光器液体激光器 液体激光器也称染料激光器，因为这类激光器的激活物质是某些有机染料溶解在乙醇、甲醇或水等液体中形成的溶液。为了激发它们发射出激光，一般采用
查阅相关文献资料，设计半导体激光器驱动电路，说明设计思路和电路模块的功能 图1 在半导体激光器的设计中，为了便于对光功率进行自动控制，通常激光器内部是将LD 和背向光检测器PD集成在一起的，见图1。其中LD有两个输出面，主光输出面输出的光供用户使用，次光输出面输出的光被光电二极管PD接收，所产生的电流用于监控LD的工作状态。背光检测器对LD的功率具有可探测性，可设计适当的外围电路完成对LD的自动光功率控制。激光器电路的设计框图如图所示，将电源加在一个恒压电路上，得到恒定的电压，再通过一个恒流电路得到恒定的电流以驱动LD工作. 其中恒压电路如图2，由器件XC9226以及一个电感和两个电容组成。XC9226是同步整流型降压DC/DC转换器，工作时的消耗电流为15mA，典型工作效率高达92%，只需单个线圈和两个外部连接电容即可实现稳定的电源和高达500IllA的输出电流。其输出纹波为10mV，固定输出电压在0.9v到4.0V范围内，以loomv的步阶内部编程设定。该电路中，输出的恒定电压设定为2.6v。 图2 恒流电路如图3，主要由LMV358、三极管以及一些电阻和电容共同组成.LMv358是一个低电压低功耗满幅度输出的低电压运放，工作电压在2.7v到5.5v之间。从恒压电路输出的2.6V电压经过Rl、RZ分压后，在LMv35s的同相输入端得到恒定电压Up，Up加在一个电压串联负反馈电路上，得到一个输出电压Uo。Uo再通过一个电阻和电容组成的LR滤波
电路上，得到恒定的直流电压uol，将uol作用在由三极管8050组成的共射级放大电路上，得到恒定的集电极电流Ic，k又通过一个滤波电容得到恒定的直流工作电压。 图3
半导体激光器的应用与分类 半导体光发射器是电流注入型半导体PN结光发射器件，具有体积小、重量轻、直接调制、宽带宽，转换效率高、高可靠和易于集成等特点，被广泛应用。按照其发光特性，可分为激光二极管（又称半导体激光器或二极管激光器，Laser Diode，LD），通常光谱宽度不]于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管(Superluminescent Dmde,SLD)，光谱宽度不大于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管（Light Emiltting，LED），光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管（Superluminescent SLD），光谱宽度为30～50nm，本节重点介绍几种半导体激光器，钽电容简要介绍超辐射发光二极管。 半导体激光器的分类有多种方法。按波长分：中远红外激光器、近红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等；按结构分：双异质结激光器、大光腔激光器、分布反馈激光器、垂直腔面发射激光器；按应用领域分：光通信激光器、光存储激光器、大功率泵浦激光器、引信用脉冲激光器等；按管心组合方式分：单管、阵列（线阵、面阵）；按注入电流工作方式分：脉冲、连续、准连续等。 LD主要技术摄技术指标有光功率、中心波长、光谱宽度、阈值电流、工作电流、工作电压、斜率效率和电光转换效率等。 半导体激光器的光功率是指在规定驱动电流条件下输出的光功率，该指标直接与工作电流对应，这体现了半导体激光器的电流驱动特性。如果是连续驱动条件，T491T336M004AT则输出功率就是连续光功率，如果是脉冲驱动条件，输出的光功率可用峰值功率或平均功率来衡量。hymsm%ddz 半导体激光器的中心波长是指激光器所发光谱曲线的中心点所对应的波长，通常用该指标来标称激光器的发光波长。光谱宽度是标志个导体激光器光谱纯度的一个指标，通常用光谱曲线半高度对应的光谱全宽来表示。 半导体激光器的光场是发散的而且是不对称的。在垂直PN结平面方向（快轴方向），发散角较大，通常在20°～45°之间；在平行PN结平面方向（慢轴方向），发散角较小，通常在6°～12°之间。由此可以看出，半导体二极管激光器的光场在空间分布呈椭圆形。