高功率半导体激光器的前沿技术、工业应用
及发展前景
摘要
半导体激光器广泛应用在通讯、计算机和消费电子行业。这些激光器主要应用在需要提供毫瓦级能量的系统中。然而，同时高功率半导体激光器已经达到千瓦级。通过特殊的冷却技术和装备，又如组合光束和组成光束技术，高功率半导体激光器得以实现。这样的系统并不是只作为电子管二极管新的高效率和高可靠性的泵源，同样在材料处理中作为直接的能量来源。在这项应用中，高功率半导体激光器进入到了工业制造领域。这篇文章描述了半导体激光器技术和应用。德国国家研究计划“标准的半导体激光器工具”（MDS）在5年里集中研究了高功率半导体激光器，给出了关于未来的应用和新颖的应用的想法。除了改进激光束质量，这个项目的目的还有实现灵活的激光束几何形状来配合不同的积木式组合应用。
1、绪论
早在1962年，就证明了在低温学温度下，在GaAs 或者GaAsP 激光二极管领域的激光效应，而且一些年后发展到在室温环境下实现AlGaAs/GaAs双异质结构。在当时，无论如何可以肯定的是，在他们只能提供短时间的低能量却又价格昂贵时，没有人能预见到这些激光器能够在激光材料处理中发挥如此重要的作用。然而，通过成功的晶体结构研究，详细的分析失效机理和相当多的制造工艺的改进，激光二极管成功的进入通讯、消费电子和计算机市场。并且占据了惊人的份额：在2000年，总共的半导体激光器市场达到了66亿US$；事实上半导体激光器大约占据了整个激光器的2/3市场。然而，在这么高的数字中，只有1.3%（8500万$）是用在固态激光器的泵埔模块中，0.2%（1130万$）是直接用在材料处理。同样的，如今在整个激光材料处理市场中（13.33亿$），半导体泵埔固态激光器占4.5%，半导体激光器直接应用的占0.9%。然而，由于它们的小尺寸和质量轻的特点，使得它们更容易组合；由于它们的高效率和可靠性，使得它们运行成本低；半导体激光器在作为固态激光器的泵埔光源和作为材料处理的一种新的激光源中获得了广泛的关注。
2、半导体激光器的工艺技术
2.1半导体激光器的来源
从一个传统的，具有代表性元素组成半导体激光器的PN结中只能得到几个毫瓦的能量。事实上，一个激光二极管是由一些列不同的掺杂质GaAlAs层按照复杂的次序组成。这些掺杂层一般只有几个原子的厚度(如图1所示)。光是从一个大概一个微米的层上发出的。半导体激光器的基本组成有：N结由掺杂质的GaAs组成，在一个杂质含量极端低水平的特殊熔炉中长成。这个结晶再由一个特殊的锯子切割成厚350μm和直径2到3英寸的圆片。通过CVD处理和外延生长产生层结构。通过接触层的沉积作用和构建，这个圆片被划破和小心的分成一个个独立的二极管。然后在边缘处沉积出多层的镜面，这样一个谐振腔就成型了。由于使用最具代表性的元素，只能萃取几个毫瓦的激光。为了增加功率，几个这样的激光器被并排排列或者发射区域面积被延长成一个条纹（如图2所示）。特殊的光振荡区域的形状导致了特殊的光发射特征：在和PN结相同方向上有比较大的发散角（fast axis）；在另外一个轴向上发散角较小，但是有个宽的放射条纹（如图2所示）。由于电学和光学的原因，这个条纹的宽度只能在2到300μm之间。
通过综合这几个原理到一个半导体器件中实现进一步的增加能量，这个器件的尺寸大约为10000 μm x 1000 μm x 115 μm（如图3a），其中1000 μm是谐振腔的长度。在今天的高功率激光器中谐振腔能达到2mm。这个部分被叫着“激光棒”。图3b展示的就是这些激光棒的特殊发射特性。在近场，每个个体发射的激光线可以很容易的辨别。而且很显然，他们发射出不同的能量水平，这是由于半导体材料和复杂结构的制造误差。在远场分布中可以清楚的看出，这束光在快轴方向
几乎达到衍射极限而形成高斯分布。然而正相反在慢轴方向，这束光是无规律的发散，更合适的说是光束质量很差。事实上这个就是高功率激光二极管的一个主要局限性。
2.2 底托和冷却
即使这些激光条的光电转换效率能达到40-50%，当能量或者说电流进一部增加后，还是有相当大的热量需要通过很小的芯片脚散热，因此，激光棒需要安装在一个特殊的水冷散热片上，这个特殊的散热片能够带走多余的热量，从而保护这个激光条和镜面免受热量的破坏。这个微通道冷却技术最初基于硅元素各向异性蚀刻术；如今这些散热片主要是用铜制造。他们内部包含横截面是300 μm x 300 μm的微通道组成的网络。冷却水就通过这些位于激光棒下面的微通道，这样可以最有效的冷却（如图4）。通过一个冷却器的典型速率为0.5l/min；典型的热阻抗约为0.4K/W。这样的冷却效率允许我们将激光器的电流提高到50A，或者增加激光器的功率到40-50W，只要能保证激光器不受损，功率可以更高。
2.3 光束构成
在PN 结方向（快轴）可以使用柱面透镜来补偿大的发散角。这样激光棒在快轴方向可以提供几乎平行的光（如图5）。通过使用微透镜排列实现在慢轴上的光准直，每一个微透镜对应一个发射条纹（如图6所示）。从几何光学可以明显看出，发射器区域之间需要有足够的距离（…pitch?）,这样可以在各个发射条纹重叠之前实现准直。无论如何，对于更小“pitch”的激光棒有更复杂的解决方案，通过微棱镜或者镜子来偏转相邻发射区域的光条纹到不同的位面，然后再通过另外放臵的棱镜组使光再次平行。这样光交叠可以避免而且在慢轴上的光准直仍然是可行的。显然的，只要这些光学原件的数量和个体光条纹的数量相符，这些技术可以改善光束的质量，然后每个发射器之间间隙造成的影响也得以消除。然而，这项技术需要极端精确的光学元件和极端精确的组装，这是因为一个光发射条纹在200 μm 内，pitch 也大概是这个尺寸。
如上所述，高功率半导体激光棒发射出非常不均匀的光束，在两个不同的方向上光束质量也不一样（BPP ，见2.4）。这个事实可能在某些应用中产生问题，这是非常不想出现的，比如吧这个发射光耦合进圆形光纤中。既然这样，我们用一些匹配的装臵（棱镜或
者镜面）把发射光线切割
成几部分，然后再把它们
重叠排列（如图7）来提
高质量。在重新排列后，
这个光束在两个方向上的
品质改变了：在慢轴BPP
降低为原来的1/X （假设X
为装臵的数量），而快轴则
增加了X 倍。因而，在已
知光束在快轴和慢轴的品质时，能够计算出满足最佳symmetrisation （平衡性）的X 。
view )
2.4. 光束质量和特征
高能量激光器在材料处理方面的地位不仅仅受到能量或者功率的影响。而是特别要看这么高的能量能否聚焦到一个非常小的点。无论如何，这个聚焦直接受到物理的限制，这个物理限制直接依靠光束质量。用来表示光束质量的数值被命名为BPP，这个数值和光束腰部半径和光束发散角的乘积成正比（如图8），这个数值的单位为mm mrad。
假设在不同的轴上（命名为x和y）有不同的特性，BPP需要分别计算：
可以通过下边的公式计算出BPP的平均值，但是这个数值没有真正的物理意义：
如图9草图所示半导体激光棒的位臵：对于单个发射器慢轴上的BPP是由发射器宽度和发散角决定，一般约为5-20 mm mrad，然而在快轴上的BPP约为0.3-0.6 mm mrad （i.e.衍射极限几乎为M2= 1…2)。对于半导体激光棒，发散角当然没有改变，但是这个发射器的宽度总和增加了这个完整的宽度必须在计算BPP时考虑进去，这就导致BPP数值大约为400 to 700 mm mrad。
光束的质量越好，这个光束能聚焦的越好。当BPP减小时，光束的质量就增加了。然而，同样有效功率也是表示高功率激光器可用性的重要参数，因为能量和光斑大小决定了能量密度，这个数值可以被计算。通过聚焦激光棒可以达到最大的能量密度，它可以测量出来，能量密度B和能量P成正比而和BPP成反比：
因而，要制造一个有用的高功率半导体激光器，高功率和低BPP是必须的：可以在保持BPP的情况下增加功率或者在保持功率的情况下降低BPP。下边就介绍几个方法来提高高功率半导体激光器的光耀（brilliance）特征。
2.5 提高功率
为了进一步的增加功率，几个安装好的二极管条（如上边所述）可以堆叠在一起（如图10）。电流通过二极管和散热片，散热片同时起到电极的作用；同时冷却液在并行的结构中流过。可是很明显，通过堆积带有二极管条的散热片，光束质量降低了，然而两个轴方向的发散角没有变，而且在慢轴方向上的光腰也没有改变，在快轴方向上的…光腰?变大了，大约是散热片厚度的N倍（N是堆积的数量）。如果在激光条的前边加上快轴准直透镜，光束的发散图案就像是条纹的堆积。在一个堆栈中单位的数量可以达到30个，这就意味着，一个堆栈可以产生1kW甚至更多的功率。因为使用堆栈的数量是不受限制的，所以理论上能量也是不受限制的。可是，并排使用越多的堆栈，光束的质量就越低：光耀在最好的情况下是不变的，但是通常情况下是降低的。即使通过这样的途径增加功率，同时BPP也会迅速的增加。
2.6增加光耀
从2.4节和2.5节可以很明显的看出，对于高功率半导体激光器而言最关键的问题是，如何在增加功率的时候还能保持光束质量，反之亦然，如何提高光束质量，但是又能保持功率。一个单独的半导体激光器，甚至是一个宽的条纹，可能仅仅有1W内的功率。因而一个标准的高功率半导体激光器是由很多数量的低功率激光器无条理的组成！这就需要进行计算，如果光束质量，光束传播，聚焦光学等等被考虑。
2.6.1 空间多路技术
在一样的条件下，光束质量一定，通过下边的这个方法排列堆栈可以进一步的提高输出功率。如图11所示，在一个堆栈的缝隙的有效截面中填充一到两个其它的堆栈：由堆栈1和3发射的光线被棱镜改变方向，堆栈2的光线可以通过棱镜组合的缝隙。这样最终3个堆栈的光线传播到了同一个区域。这就意味着，在这个实例中能量增加了3倍，同时BPP保持不变。因而，从理论上讲光耀被增加了3倍。在通过折射棱镜时能量可能有些损失，因此实际光耀的增加可能有些少。显然，可以组合的堆栈数量取决于散热片的厚度和快轴准直后的光束高度（如图10）。通常在工业设备中散热片的厚度在1到2mm之间，所以2个堆栈
被组合。
2.6.2 偏振多路技术
在某种情况下，半导体激光棒发
射出的光是线性偏振的；而且组合的
堆栈也有可能是偏振组合：使用半波
片可以使其中一个堆栈偏振方向旋
转90°，如图12所示，通过使用偏振
滤波器可以把两个堆栈的光集合起
来理论上这项技术可以把光强增加
两倍。可是实际上可能只有1.7到1.9
倍，主要是由于每个半导体激光棒的
偏振不可能是100%，偏振角度一般
在95%到98%，所以这个不完整的偏
振和在偏振滤波器中的损失降低了
总功率。然而这项技术已经是商用半导体激光器系统中的标准规格。
2.6.3 波长多路技术
通常情况的用于材料处理的高功率激光器并不要求精密的波长直到一个波长有限范围（e.g. λmax – λmin ≤ 200 nm)需要被考虑，因为在通常情况下，在这个波长范围了，金属的光学特性不会发生很大的改变。从另一个方面讲，可以通过操纵量子井的结构精确的裁剪半导体激光器的发射光波长。这就提供了另外一个可行的方法来增加大功率半导体激光器系统的光耀：如草图13所示， 通过选择几
个不同发射光波长和
波长选择滤波器，可以
将几个堆栈进一步的
组合在同一个光路上。
这种增加光耀的技术
的潜能主要依靠：可用
激光棒具有几个不同
的波长而且选择合适
波长滤波器。今天，主
要有3个波长是有效
的，使用数量大并且效
率高，波长是808 nm,
940 nm 和 980 nm ；主
要是因为在泵浦固态
激光器中这些波长的
需求量大。然而直接应用的高功率半导体激光器的需求数量仍然很低。无论如何，更多的波长在研究中，而且在不久的将来会大量用于商业和有更好的品质。当然在光学元件中还是会产生损失，比如波长滤波器。这项技术潜在的能力是提高光斑4到5倍；现今商业上主要使用两种波长的高功率半导体激光器：808 nm 和 940 nm.
2.6.4 光束重新整合与填充缝隙
如图7所示，使用曲面棱镜或者镜面将发射光线切成几个部分，而且这些部分被移到没有被填充的缝隙中（就和2.6.1章节所述的空间多路技术一样），发射区域的慢轴的光腰降低为x -1
（x 为光束被分割的数量）。因此，理论上光耀可以增加√x 倍。很显然，当使用了这项技术后，在2.6.1中叙述的空间多路技术就不能再使用了。
2.6.5 固态激光器的泵浦
众所周知，半导体激光器被广泛的用于固态激光器的泵浦。这些激光器能提供高功率和高质量的激光束，因而从上下承接的关系，用半导体激光器泵浦固态激光器的光耀的增加可以被认为是增加光耀的一个方法。由于这个改变只需要一步而且这一步能够使光耀增加一个甚至是2个数量级（如图19），相对前边2.6.1 到 2.6.4中阐述的“多路技术”，这个方法可以被认为是很有吸引力的选择。然而，
对于半导体泵浦激光棒的光对光转化效率在30%内，通过使用多级放大技术可以将效率提高到70%到80%，但是同时光束质量不能够保持。新型固态激光器（如圆盘激光器）能够改进转换效率达到50%，甚至比棒型激光器有更好的光束质量，可以改善泵浦固态激光器中产生间接光耀增加的情况。现在半导体激光器的成本要比半导体泵浦固态激光器要少，但是如果作出高光耀和高功率半导体激光器的预测，这些还需要谨慎关注。
2.6.6 半导体激光器的光耀增加
正如在本章开始所提及，高功率半导体激光器光束的品质的局限性是由棒条本身造成的，它影响了光束在慢轴上的品质。因而，很显然半导体激光条本身功率的提高和光束质量
的改进是另外一种增
加高功率半导体激光
器光耀的方法。如何提
高功率一直在被研究，
50到70W是当今的技
术发展水平。在实验室
中，一个单独的激光棒
能够达到267W。在最近的3到5年，宽条纹激光棒的BPP值得到了改进。几个新的概念正在研究中，用作改善慢轴上的光束质量，比如锥形激光器（如图14），Z-laser和其它。在MDS工程中的结构设计，单个发射器在慢轴上光束质量已经能和锥形激光器媲美，达到了M2=2（两倍的衍射极限）。然而，这些新的激光概念还必须具有高功率水平，高效率和长寿命，只有这样它们才能真正的在商业上得到工业应用。
2.6.7 增加光耀——摘要
下表1概述了增加光耀的不同方法，各参数定义如下：
N
P
堆栈的数目（堆积一个堆栈使用的激光条数）；
ηP = P
out
/ P
in
表示功率损耗(P
in
是从所有堆栈获取的功率，P
out
是应用光耀增加技术后的功率) ；
F
B
通过使用不同方法增加光耀的因子。
图 15: 典型的用于材料处理高功率半导体激光头 (ROFIN DL030S, 3 kW)
3. 高功率半导体激光系统
3.1 商用二极管系统
利用冷却系统、衬垫系统和光束构成以及在第二章提到的耦合技术，可以组装出功率达到几kW 的半导体激
光器系统。如图15展示的一个实
例；图中展示的是3kW 的半导体
激光器系统。这个激光头的尺寸
只有580 mm (包括光学系统) x
180 mm x 155 mm ，而且重量只
有15 kg 。当然，还需增加电源和
冷却器；无论如何，由于具有了
高效率，它们还是比传统激光器
要小的多。这个系统能够在工作距离为42mm （f = 66 mm ）的地方产生1,3 mm x 1,3 mm 的聚焦点 (1/e2-标准) ，如果使用更长焦距的镜片可以得到更大的聚焦点。这个高功率半导体激光器的代表性的光束剖面图为：慢轴方向为一个矩形顶部加上一个帽状轮廓；而快轴方向则是一个高斯分布 。图17a 展示了一个实际测量的光束剖面图。
因为这些光束质量得以改善并且使用了光束重组技术，这些单元已经能够耦合进光纤。这些耦合单元可以很轻松的与激光头组合，这样激光能量就可以由一个1.5 mm dia.， 0.35 N.A.的光纤传导到工作台。 如果使用了光纤，可以在焦平面上得到一个高功率、破面是圆形的、顶部是帽形激光束。在具有代表性的最小的工作头，在准直镜和物镜的焦距比率为1：1；因而光斑尺寸能达到1.5mm 。无论如何，为了配合不用应用的光斑尺寸，其他的比率也可以使用。
这样可以更好的发散，就如同要小心的把握对高功率半导体激光器的好奇心光耀增加的方法
N P ηP F B 增加激光棒的亮度和功率
--- --- 3…10 堆栈 （n 个激光棒）
(10… 30) 1 --- 空间多路技术
2…3 0,9…0,95 1,8…2,8 偏振多路技术
2 0,9…0,95 1,8…1,9 波长多路技术
2…5 0,85…0,95 1,7…4,7 使用空间多路技术进行光束重组
1 0,8…0,85 1,3…1,7 泵浦固态激光器
--- 0,3…0,5 20...50 表 1: 增加光耀的方法概要
一样：如上所述，由于许多独立的激光源被不连贯的接合到一起，所以标准的激光方法不能简单的转移到这些激光上！如图18所示。
3.2 与传统激光器比较
从应用观点来看，其中光束质量和能量决定了可用性和应用领域。因此，依据早期P.Loosen的建议，图19展示了半导体激光器输出光束质量（BPP）与不同类型的的固体激光器和CO2激光器的比较。典型的半导体激光器光束质量的宽幅基于是直接半导体激光应用还是光纤耦合半导体激光器。它反映了现在市场上可用的激光器的领域。这个图标还清楚的示范出当今半导体激光器的光束质量还是比已成熟的CO2激光器和Nd:YAG 激光器差，当然这主要是因为在一个Bar条甚至一个堆栈中激光器不连贯的结合（如第二章所述）。无论如何，如果高功率激光条的出现以及光束构成和结合技术的进一步的改进，进一步的降低BPP到红线以下还是有可能的。
4. 二极管激光器的工业应用
由于较差的光束质量的影响，在传统高功率激光市场中（比如切割和高速深
体激光器还没有什
么行情。(即使最近
有深度焊接的示例)。
无论如何，如图20
所示，现在对光束功
率和光束质量的典
型要求，相对图19
所示的半导体激光
器的光束质量，高功
率半导体激光器有
很大的应用潜力。然而，在3.2节中提到的新激光器肯定能够改进在深度焊接中的应用。
激光器已经证明能够使用在半导体激光器使早在几年前，Nd:YAG 和CO
2
用界线上边的应用中，但是由于技术和成本的因素，不能够深入应用到制造业。
激光器相当，甚至更低，而且已经当今高功率半导体激光器的投资费用和CO
2
比Nd:YAG激光器低很多。运营成本也比传统激光器低很多，主要因为半导体激光器的效率高（典型的效率在30%，甚至更高），而且因为这些二极管几乎终身
不用维护。随着半导体激光棒的寿命的增加，运营成本可望得到相当可观的降低。
因为除了贬值，单从成本考虑，更换二极管是运营成本的最大的部分。Last but not least,不只是半导体激光头的尺寸小，还基于电光转换效率很高，而且还由于电源和冷却器的尺寸也小，使得半导体激光器在传统激光器的光束质量不是很有必要的应用中是非常有吸引力的工具。
4.1 在厨房水池制造中使用半导体激光器做感应焊
高功率半导体激光器最初的应用是生产有理想焊
缝的厨房用水池，图22是一个焊缝的完整的横截面。
使用半导体激光器代替TIG焊接可以相当大的节约扫
尾工作：只有抛光是必要的，但是几乎不需要碾磨或者维修。这个事实对降低成本有利，即使投资2.5kW的半导体激光器要比TIG焊接机器高。这项应用还用到了半导体激光器另外一个特长：如图22所示，激光器可以直接安装在机械手上，机械手引导激光以1m/min的速度通过焊缝上方，这就使得不需要使用复杂的光束导向设备。这项应用已经进入制造业三年了，并获得了成功。
4.2 硬焊
硬焊在汽车车身制造技术和电子元器件的密闭封装上有越来越多的应用。在ROFIN-SINAR的应用实验室中，成功的进行了使用1mm直径的CuSi硬焊料焊接镀Zn的钢板（0.9mm）的实验。如图23，实验获得了非常平滑的焊缝。如果使用2.5kW功率，硬焊的速度为2-4m/min，但是这个速度与个别缝隙对硬钎料填充的要求有很大关系。使用高功率半导体激光器至少可以获得与使用NdYAG 激光器同样的结果，但是成本却更低。
4.3 淬水
在3.1节提到，高功率半导体激光器的光束在一个方向上剖面是矩形上面加个大礼帽的轮廓，另一个方向和高斯相似。这使得半导体激光器特别适合表面硬化应用。加之，与CO
激光器相比，这些激光器的波长更短（一般为808nm、
2
940nm），这样更容易被吸收，而且增加吸收的覆料就没有必要使用了。由于半导体激光器具有更高的效率以及上文提到的特点，使得高功率半导体激光器对于淬水是非常有效的、可靠的和有成本效率的工具。
高功率半导体激光器在制造应用上一个显著的实例是对扭转弹簧的淬水。这种弹簧用在汽车门的铰链部分。高功率半导体激光器不仅仅提供了理想的光束尺寸和强度分布，同样也是淬水中最有成本效率的方法。如图24a所示，扭转弹簧需要在大于170°时，在一个10mm的长度上实现深度为0.2到0.4mm的硬化。使用两个激光器（夹角为120°）的装臵扫描这10mm的长度，可以实现均匀的硬化（图24c）。通过使用两个温度计记录温度的过程控制可以保证对于每个零件的处理质量。
4.4 覆层
高功率半导体激光器在表明处理上有重要的应用，如沉积耐磨层或者耐磨层修复。广泛使用和成功的方法是在硬质材料上的沉积，例如，通过在激光加热区域使用特殊喷嘴注入金属粉末，可以产生合金。同样的对于这项应用，过去主要使用CO 2 高功率激光器，而高功率半导体激光器提供了更理想的工具。使用典型的2 x 104
W/cm2功率密度的光束对准面积2 x 4 mm2厚度0.5mm 的区域，以400 mm/min 的速度产生沉积层（图25a ）。事实上，这个速度比同等级别的CO 2激光器快两倍，或者说，使用这个激光器需要的能量是使用二氧化碳激光器的一半，因而运营这个加工，使用高功率半导体激光器比使用二氧化碳激光器更有成本效率。如果采用并行重叠的方法沉积，这个交迭区域看上去很光滑和密集（如图25b ），分界面形成典型的枝状铸造组织，两种材料之间形成一个完美的连接而且在基材上只有很薄的融化区域。
4.5 软焊
激光软焊已经发展了几年了，使用低功率的NdYAG 激光器更适合；激光软焊技术比传统的焊接技术更有利，因为它不需要直接的机械接触，提供了一个好的途径去焊接小部件而且擅长于能量和位臵的控制。这些特点使得激光软焊特别的有吸引力，比如对静电敏感(ESD)元件、温度敏感元件或者机械难以到达的区域进行焊接。然而，相关的，高的运营成本和相当大的激光头尺寸阻碍了在现有软焊系统中的应用，因而到目前为止还只能用在大尺度的应用中。功率范围在30到150W 的高功率半导体激光器排除了这些不利因素：激光头（包括45 mm ? x 70 mm 的光学系统）只有150mm*50mm*70mm 大小，重量只有1.23kg ，他们极端的紧凑。二极管的高效率和长寿命使得高功率半导体激光器在软焊应用中很有吸引力。
4.6 聚合物焊接
激光器完成。同样与激光软焊相似，聚合物焊接早期是由NdYAG或者CO
2
的，高功率半导体
激光器将打破这些
焊接技术。
通常聚合材料
对于近红外光谱区
域来说是透明，这
是高功率半导体激
光器典型的发射区
域。然而，通过增
加特殊的材料（比
如黑烟末或者特殊的颜料）聚合物能够吸收半导体激光器的辐射光。可是，聚合物的热机特性与金属特性非常的不同：金属在达到特定温度时有清晰的转变，从固态到液体，从液体到气态；而热塑性塑料在达到玻璃化温度时开始融化而且随着温度不断的升高到熔点，缓慢的降低粘性。当在更高的温度时，聚合物不会汽化，而是开始分解。热固性塑料在加热时通常不会出现任何的软化，而是直接分解或者碳化，这些表明塑料不适合激光焊接。加热后的塑料的粘性仍然比金属高，此外，塑料的热导率也比金属的热导率低的多。
由于这些原因，如图26所示，塑料焊接的理想的结构是在层与层的交迭区焊接，一层对于激光是透明的，一层是强烈吸收激光（在几分之几毫米）：激光辐射被底层吸收，加热温度到玻璃化与融点之间，当然温度不能超过分解温度。然后热量从吸收层转移到非吸收层，这样非吸收层也融化了，前提是这两个层的溶解温度在一个区域内。如果这些层被充分的压制在一起，这两个层融化的材料就混合到一起，在冷却后，形成一个可靠的结合。
半导体激光器在塑料焊接的第一个工业应用是汽车电子钥匙的真空密闭。在这部份最有趣的是，它不仅仅是高功率半导体激光器在工业制造环境下成功应用的实例，同样可以看到对于人类眼睛是同样颜色（黑色）的两个层也可以用上面介绍的方法焊接到一起：主体由碳黑涂黑，这样就可以吸收从可见到红外区域的光，而盖子是由燃料染黑，它只吸收可见光，而对于激光辐射是透明。那样，如图26，塑料焊接的理想模型就清楚了：顶层对于激光是透明的，同时底层在界面区域被半导体激光加热而且融化。
5 前景展望：MDS工程
5.1 总观
值得期待，半导体激光器将会引领工业制造的工艺革命，而且将增加激光器在全球范围内工业生产线上应用的数量。MDS工程有22个合伙人，16个来自工业和6个来自学院，这项工程瞄准了半导体激光器和激光系统的技术，并制定这些激光系统应用的基本原则。这些合伙人被垂直的分为3组：
?芯片工艺
?激光和系统工艺
?应用和产品技术
在这个工艺链的开始，新的半导体芯片将会得到发展和制造，新芯片将提供超过现有技术发展水平2到5倍的输出功率和光束质量。这些新芯片将由这个激光技术组织的成员组装到高功率半导体激光系统中。为了这个任务，微光束形成和光束组合的技术需要改进，这些光束的能量将是现在使用的10倍左右。在这个工艺链中最后的任务（也就是应用工艺）是，进一步改进对于半导体激光器作为工具的现有知识，这样这些新颖的半导体激光束工具的特使优势将在生产工艺中使用，这些将相当大的增加质量并有高的经济效益。
这个项目的预算为7800万DM，由德国教育部和BMBF资助46.7%。预算有大约50%是用于应用的研究，有着特殊特征和好处的高功率半导体激光器应用的适应。另外一半在剖成两部分，各约50%，一部分用于半导体激光器的发展，其余用于激光和系统综合技术。这项工程从1998年1月1号开始，已经持续了5年。
5.2 科技蓝图
这个项目是垂直结构的，一个团队依赖与上边团队的成功：“芯片技术组”交付bars到“激光与系统”组织整合系统，而这些系统要匹配“应用和生产技术”组织的需求。
5.2.1 芯片技术
自然的，半导体技术位于整个工艺链的首部。未来系统中的二极管激光棒的输出功率和光束质量需要增加到现有数值的2到5倍。同时，老化或者说寿命要好转而且成本要保持住，甚至更低。半导体的发展通过3步来实行，伴随着新的技术难点的出现。最佳的焦点强度值直接与激光棒的光束质量相关。如图25，band1到band3表示每个新代的激光棒，这些直接导致了特殊应用的系统集成的
改进。在band1 和band2，传统
的“宽条纹发射器”的二极管激光
棒在输出功率、光束质量、可用
的波长（波长耦合），使用寿命
等等方面可以更进一步的优化，
而且要与微光学装臵的要求相吻
合，这些装臵实质上是为有效的
耦合。在band3中，新型激光器，
比如锥形激光阵列，在光束质量
上有相当大的改进，它们将在高
功率半导体激光系统中得到综合
的应用。
5.2.2 激光与系统技术
激光与系统组的合伙人将会进一步的加工半导体激光棒，发展来自芯片组的技术和用于制造。这些激光条将会安装到有微通道的散热器上，外加微光学镜片然后组装到高功率半导体激光系统中，这种系统适合与材料的加工。新的组装技术，新颖的光束组合和结合技术必须能够是激光条的性能增加10倍。然而，同时机动性必须得到维持甚至增加：高功率半导体激光器与传统激光器的一个本质区别是模块结构，这些模块开拓了激光材料处理的新的途径。另外，这个项目有个非常重要的目的，就是设定技术的基本原则或者有标准组件的概念，还有基础模块的标准规格，这些模块能够提供基本的光源而且完美的适合加工需求。与传统的NdYAG和CO
激光器的光束质量相比较，在图25和图15中清楚的证明，
2
在不久的将来，高功率半导体激光器将会涉及灯泵(cw-)NdYAG 激光器的领域和应用，但是不会进入半导体泵浦NdYAG激光器领域，特别是圆盘激光器领域，也不会进入CO
激光器的领域和应用，这些领域都需要高光束质量。
2
5.2.3 应用和加工技术
如上所述，在芯片技术组和激光与系统组的工作框架内，激光系统产生了，这些系统相信的依照了计划好的应用的需求。这些应用被分为7个工作包：
1. 焊接金属片：金属片，汽车与飞机的机构
2. 新颖的切割技术：圆盘原料和金属箔
3. 在电工技术和电子学中的微连接：PCB上的IC焊接，微型焊接
4. 塑料连接技术
5. 维修与生长：在大的部件，大的发动机转轴和涡轮机上的使用
6. 半导体激光器在机械工具中的综合应用
7. 淬水：深冲压和喷射造型法的工具，汽车组件
关于系统的功率，光束质量和外形，早在技术设计阶段就定义好。在图27中，可以找到这些系统的规格（除了特殊的光束形状），由圆点标记：1.1、1.2、1.3表示系统是用在工作包1（连接金属片）；2.1到2.4系统是使用在工作包2（切割）等等。
6.结论
达到几千瓦功率的二极管激光器已经通过了工业环境的大尺寸应用的界限。
当今的系统能够为需要功率密度达到104
to 10
5
W/cm2的应用提供足够的能量，而
且有超过30%的功率转换效率（插座效率：激光效率独有的参数）；它们非常小的尺寸使得他们成为与工业制造设备整合和便携系统的理想工具。由于光束质量的增加，寿命的进一步增加和成本的进一步降低，这些激光在极大的增加市场份额上有光明的前景。野心勃勃的调查计划被实行，以便在合理的时间达到这个目的。
高功率IPG光纤激光器应用简介 一、IPG光纤激光器简介 1.光纤激光器简介 光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来:在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。 2.光纤激光器的优势 首先是使用成本低，光纤激光器替代了不稳定或高维修成本的传统激光器。其次，光纤激光的柔性导光系统，非常容易与机器人或多维工作台集成。第三，光纤激光器体积小，重量轻，工作位置可移动。第四，光纤激光器可以达到前所未有的大功率(至五万瓦级)。第五，在工业应用上比传统激光器表现更优越。它有适用于金属加工的最佳波长和最佳的光束质量，而且光纤激光器在每米焊接和切割上的费用最低。第六，一器多机，即一个激光器通过光纤分光成多路多台工作。第七，免维护，使用寿命长。最后，由于其极高的稳定性，大大降低了运行中对激光质量监控的要求。简单来说就是高功率下的极好光束质量，高光束质量下的极好电光效率，高功率高光束质量下的极小体积、可移动性和柔性。 3.IPG简介 全球最大的光纤激光制造商IPG Photonics由Valentin Gapontsev博士于1991年创建，总部设在美国东部麻省。IPG在德国、美国、俄罗斯和意大利设有生产、研发基地，并在全球设有销售和服务网点，覆盖美国、英国、欧洲、印度、日本、韩国、新加坡和中国，并于2006年在美国纳斯达克上市。
十八年来，IPG致力于纵向合成，所有的核心配件均为IPG研发、生产和拥有，同时也是唯一一个能为客户提供高性价比的光纤和半导体激光器的厂家。 高功率是IPG的优势。全世界已有上千台IPG的高功率(>1KW)光纤激光器在汽车制造、船舶制造、海上平台和石油管道、航空航天和技术加工等工业领域中得以应用。在日本，我们向丰田、三菱、住友在内的客户售出了数百台IPG的大功率光纤激光器。这些激光器的成功应用，说明了IPG光纤激光已成熟，且成为制造业的技术工具之一。依近期国内各厂家、院校、集成商对IPG光纤激光器大量的订单来看，光纤激光在中国市场广泛应用的局面会很快到来，尤其是在金属加工(切割、焊接、熔覆、快速成型等)方面。 二、高功率光纤激光应用领域 1.激光焊接领域的应用 光纤激光器的光束质量好，连续功率大，适用于深熔焊和浅表热导焊。连续激光通过调制可提供激光脉冲，从而获得高峰值功率和低平均功率，适用于需要低热输入要求的焊接。由于高功率激光的调制频率高达1万赫兹，因而能够提高脉冲焊接的产能。光纤输送方式使激光能够灵活地集成在传统焊钳、振镜头、机器人和远程焊接系统内。无论采用何种光束输送方式，光纤激光器都具有无可比拟的性能。典型的点焊应用包括依靠振镜头传送光束，从而完成剃须刀片和硬盘挠曲的焊接，从而充分地利用光纤激光器的脉冲功能。光纤激光器的光斑小，焦距长，因而远距离激光焊接的能力大大提高。1-2米的工作间距与传统机器人相比使工作区域提高了数倍，配备光纤激光器的远程焊接工位包括车门焊接、多点焊接和整个车身框架的搭接焊接。光纤激光器焊接的其它例子包括传动部件全熔焊、船用厚钢板深熔焊、电池组密封焊接、高压密封等等。图1展示了光纤激光焊接的效果。
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
医学中常用的激光器 自第一台激光器问世后，人们对激光器件及技术进行了大量的研制工作，取得了相当可观的成果。目前能实现激光运转的工作物质达数百种以上，大体上分为气体、固体、半导体、染料等几大类。人们在探索激光产生机理的同时，扩展了激光的频谱范围，几千条谱线遍布于真空紫外到远红外的广阔光谱区域。激光方向性好、强度大，可以使被照物体在1/1000s内产生几千度的高温，瞬间发生汽化。由于激光的物理特性决定了其具有明显的生物学效应，。各种不同的激光具有不同的特性和组织效应，正确认识激光的这些特点，是选择和合理利用激光的基础。 一．气体激光器 气体激光器，按工作物质的性质，大致可分成下列三种：(1)原子激光器：利用原子跃迁产生激光振荡，以氦氖激光器为代表。氩、氪、氙等惰性气体，铜、镉、汞等金属蒸气，氯、溴、碘等卤素，它们的原子均能产生激光。原子激光器的输出谱线在可见和红外波段，典型输出功率为10毫瓦数量级。 (2)分子激光器：利用分子振动或转动状态的变化产生辐射制成的，输出的激光是分子的振转光谱。分 子激光器以二氧化碳(CO 2)激光器为代表，其他还有氢分子(H 2 )，氮分子(N 2 )和一氧化碳(CO)分子等激光 器。分子激光器的输出光谱大多在近红外和远红外波段，输出功率从数十瓦到数万瓦。(3)离子激光器：这类激光器的激活介质是离子，由被激发的离子产生激光放大作用，如氩离子(激活介质为Ar＋)激光器。氦镉激光器(激活介质为Cd＋)等。离子激光器的输出光谱大多在可见光和紫外波段，输出功率从几毫瓦到几十瓦。 气体激光器是覆盖波谱范围最广的一类器件，能产生连续输出。其方向性、单色性也比其他类型器件好，加之制造方便、成本低、可靠性高，因此成为目前应用最广的一类器体。 1、氦氖激光器 氦氖激光器能输出波长为632.8nm的可见光，具有连续输出的特性。它的光束质量很好(发散角小，单色性好，单色亮度大)。激光器结构简单，成本低，但输出功率较小。氦氖激光器在工业、科研、国防上应用很广，医疗上主要用于照射，有刺激、消炎、镇痛、扩张血管和针灸等作用，广泛用于内科、皮肤科、口腔科及细胞的显微研究。 氦氖激光器有三种结构形式：内腔式、外腔式和半内腔式。它们均由放电管、谐振腔、激励电源等三部分组成。以内腔式为例，放电毛细管是产生气体放电和激光的区域，它的内径很小，约在1到几毫米。电极A为阳极，由钨杆或钼(或镍)筒制成。阴极K为金属圆筒，由铝、钼、钽等制成，它们均有足够的电子发射能力和抗溅射能力。组成谐振腔的两块反射镜紧贴于放电管两端，并镀以多层介质膜。其中一个为全反射镜，另一个则为部分反射镜，整个谐振腔在出厂前已调整完毕，因此使用简单、方便。放电管的管径比放电毛细管粗几十倍，用以保持氦氖气压比及加固谐振腔。为了避免放电管变形而引起激光输出下降，内腔管的长度不宜过大，一般不超过一米。外腔式激光器可以更换不同的反射镜，使输出功率最大，光束发散角最小。也可在反射镜和放电管之间插入光学元件，以研究激光器的输出特性，调制它的频率或幅度，并可制成单频大功率激光器。 2、二氧化碳激光器 二氧化碳激光器的能量转换效率达20～25%(氦氖激光器的能量转换效率仅为千分之几)。它的输出波长为10.6微米，属于远红外区，连续输出功率可达万瓦级，常用电激励，结构比较简单紧凑，使用 方便，是目前最常用的激光器之一，在医学上，CO 2激光器作为手术刀使用日益引起人们的重视。CO 2 激 光器也用于皮肤科、外科、神经外科、整形外科、妇科和五官科的手术，在癌症的治疗上也有一定成效。 最常见的封离型内腔式二氧化碳激光器的管壳是由硬质玻璃或石英材料制成的。常见为三层玻璃套管结构，其最内层是放电管，中间层是水冷套，外层是储气管。在内外层之间有气体循环通路，这是为了保证混合气体的均匀分布而设计的。其光学谐振腔通常用平凹球面腔。球面镜可用石英或其他光学玻璃做基片，然后，在表面上镀层金属膜。平面镜是输出窗片，要求它对10.6μm的激光有很好的透过率，且表面不易损伤，机械性能好等。一般中小功率的激光器常常采用锗单晶做输出片，大功率的用砷化镓
功率半导体器件在我国的发展现状 MOSFET是由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。它的导通跟阻断都由电压控制，电流可以双向流过，其优点是开关速度很高，通常在几十纳秒到几百纳秒，开关损耗小，适用于各类开关电源。但它也有缺点，那就是在高压环境下压降很高，随着电压的上升，电阻变大，传导损耗很高。 随着电子电力领域的发展，IGBT出现了。它是由BJT和MOS组成的复合式半导体，兼具二者的优点，都是通过电压驱动进行导通的。IGBT克服了MOS的缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点。因此，其广泛应用于开关电源、电车、交流电机等领域。 如今，各个行业的发展几乎电子化，对功率半导体器件的需求越来越大，不过现在功率半导体器件主要由欧美国家和地区提供。我国又是全球需求量最大的国家，自给率仅有10%，严重依赖进口。功率半导体器件的生产制造要求特别严格，需要具备完整的晶圆厂、芯片制造厂、封装厂等产业链环节。国内企业的技术跟资金条件暂时还无法满足。 从市场格局来看，全球功率半导体市场中，海外龙头企业占据主导地位。我国功率半导体器件的生产制造还需要付出很大的努力。制造功率半导体器件有着严格的要求，每一道工序都需要精心控制。最后的成品仍需要经过专业仪器的测试才能上市。这也是为半导体器件生产厂家降低生产成本，提高经济效益的体现。没有经过测试的半导体器件一旦哪方面不及格，则需要重新返工制造，将会增加了企业的生产成本。
深圳威宇佳公司是国内知名的功率半导体检测专家，专门生产制造简便易用、高精度的设备，让操作人员轻松上手操作，省力更省心。如生产的IGBT动态参数测试设备、PIM&单管IGBT 专用动态设备、IGBT静态参数测试设备、功率半导体测试平台等，均是经过经验丰富的技术人员精心打磨出来的，设备高可靠性、高效率，已在市场上应用超过10年，历经了超过500万只模块/DBC的测试考验。
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。
高功率半导体激光器的前沿技术、工业应用 及发展前景 摘要 半导体激光器广泛应用在通讯、计算机和消费电子行业。这些激光器主要应用在需要提供毫瓦级能量的系统中。然而，同时高功率半导体激光器已经达到千瓦级。通过特殊的冷却技术和装备，又如组合光束和组成光束技术，高功率半导体激光器得以实现。这样的系统并不是只作为电子管二极管新的高效率和高可靠性的泵源，同样在材料处理中作为直接的能量来源。在这项应用中，高功率半导体激光器进入到了工业制造领域。这篇文章描述了半导体激光器技术和应用。德国国家研究计划“标准的半导体激光器工具”（MDS）在5年里集中研究了高功率半导体激光器，给出了关于未来的应用和新颖的应用的想法。除了改进激光束质量，这个项目的目的还有实现灵活的激光束几何形状来配合不同的积木式组合应用。 1、绪论 早在1962年，就证明了在低温学温度下，在GaAs 或者GaAsP 激光二极管领域的激光效应，而且一些年后发展到在室温环境下实现AlGaAs/GaAs双异质结构。在当时，无论如何可以肯定的是，在他们只能提供短时间的低能量却又价格昂贵时，没有人能预见到这些激光器能够在激光材料处理中发挥如此重要的作用。然而，通过成功的晶体结构研究，详细的分析失效机理和相当多的制造工艺的改进，激光二极管成功的进入通讯、消费电子和计算机市场。并且占据了惊人的份额：在2000年，总共的半导体激光器市场达到了66亿US$；事实上半导体激光器大约占据了整个激光器的2/3市场。然而，在这么高的数字中，只有1.3%（8500万$）是用在固态激光器的泵埔模块中，0.2%（1130万$）是直接用在材料处理。同样的，如今在整个激光材料处理市场中（13.33亿$），半导体泵埔固态激光器占4.5%，半导体激光器直接应用的占0.9%。然而，由于它们的小尺寸和质量轻的特点，使得它们更容易组合；由于它们的高效率和可靠性，使得它们运行成本低；半导体激光器在作为固态激光器的泵埔光源和作为材料处理的一种新的激光源中获得了广泛的关注。
浅析高功率光纤激光器 高功率光纤激光器，是相对于光纤通讯中作为载波的低功率光纤激光器而言（功率为mW级），是定位于机械加工、激光医疗、汽车制造和军事等行业的高强度光源。高功率光纤激光器巧妙地把光纤技术与激光原理有机地融为一体，铸造了21世纪最先进和最犀利的激光器。即使是在激光技术发达的国家，光纤激光器也是尖端、神秘和充满诱惑的代名词。2002年6月，光纤激光器空降中国，震撼了中国激光学术和产业界，引起了尊至院士的深情关注！ 一、光纤技术 光纤激光器的最大特点就是一根光纤穿到底，整台机器高度实现光纤一体化。而那些只在外部导光部分采用光纤传输或者LD泵浦源采用尾纤来耦合的激光器都不是真正意义上的光纤激光器。 光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，主要广泛应用于光纤通讯，其导光原理就是光的全反射机理。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯(芯径一般为9-62.5μm)、中间低折射率硅玻璃包层(芯径一般为125μm)和最外部的加强树脂涂层组成。〈见图一〉光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤：中心玻璃芯较细(直径9μm+0.5μm)，只能传一种模式的光，其模间色散很小，具有自选模和限模的功能。多模光纤：中心玻璃芯较粗(50μm+1μm)，可传多种模式的光，但其模间色散较大，传输的光不纯。 用于高功率光纤激光器中的光纤不是普通的通讯光纤，而是掺杂了多种稀有离子、结构更为复杂、耐高辐射的特种光纤---双包层光纤。
双包层光纤比普通光纤在纤芯外多了一个内包层，对泵浦光而言是多模的，直径和受光角较大，能大肆吸收高亮度的多模泵浦光，在光纤内聚集大量的光子。实践证明：横截面为D型和矩形的双包层光纤具有95%的耦合效率因而得到广泛应用。对于脉冲光纤激光器而言，一个重大的课题就是如何提高光纤的耐辐射能力。目前世界上光纤激光器的单脉冲能力可以达到20,000W，一根头发丝大小的光纤如何能承受如此高的激光辐射？所以必须考虑在光纤内掺杂某种特殊离子防止光纤被烧坏。比如掺杂了铈离子的光纤就是在核辐射情况下，既不会因染色而失去透光能力，更不会受热变形。 二、传统固体激光器 激光器说白了就是一个波长转换器---波长短的泵浦光激励掺杂离子转换成长波长的光辐射，它一般由3部分组成：工作物质、谐振腔和泵浦系统。由于光纤激光器本质上属于固体激光器，所以在此仅比较一下传统Nd:YAG激光器的特性。 工作物质： 工作物质是固体激光器的心脏，它的物理性质由基质材料决定，光谱性质由激活离子内的能级结构决定。在YAG单晶体中掺入三价的Nd3+，便构成了目前广泛应用的YAG激光晶体。它主要有如下明显的特点： 1、YAG棒生长速度很慢，一般小于1mm/h。目前最大晶体棒的直径为40mm，长180mm，所以激光增益从根本上受到限制，无法实现特高功率激光输出。
“power semiconductor device”和“power integrated circuit(简写为power IC或PIC)”直译就是功率半导体器件和功率集成电路。 在国际上与该技术领域对应的最权威的学术会议就叫做International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，即功率半导体器件和功率集成电路国际会议。 “power”这个词可译为动力、能源、功率等，而在中文里这些词的含义不是完全相同的。由于行业的动态发展，“power”的翻译发生了变化。 从上世纪六七十年代至八十年代初，功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的栅关断晶闸管(GTO)等。它们的主要用途是用于高压输电，以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等，这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。因此，当时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件，而是译为电力电子器件，并将应用这些器件的电路技术power electronics没有译为功率电子学，而是译为电力电子技术。与此同时，与这些器件相应的技术学会为中国电工技术学会所属的电力电子分会，而中国电子学会并没有与之相应的分学会；其制造和应用的行业归口也划归到原第一机械工业部和其后的机械部，这些都是顺理成章的。实际上从直译看，国外并无与电力电子相对应的专业名词，即使日本的“电力”与中文的“电力”也是字型相同而含义有别。此外，当时用普通晶体管集成的小型电源电路———功率集成电路，并不归属于电力电子行业，而是和其他集成电路一起归口到原第四机械工业部和后来的电子工业部。 20世纪80年代以后，功率半导体行业发生了翻天覆地的变化。功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET，常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(power IC，常简写为PIC)为主。 这一转变的主要原因是，这些器件或集成电路能在比以前高10倍以上的频率下工作，而电路在高频工作时能更节能、节材，能大幅减少设备体积和重量。尤其是集成度很高的单片片上功率系统(power system on a chip，简写PSOC)，它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个硅芯片上，使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智能功能，其优越性不言而喻。国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。
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
高峰值功率激光器的研究与发展 崔建丰1，2，3,樊仲维1,3,4 , 裴博3,4, 薛岩3，张晶1,2,3, 尹淑媛3，牛岗1,2,3, 石朝晖1,2,3,王培峰1,2,3 , 毕勇4 (1、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130022；2.、中国科学院研究生院，北京100049；3、北京国科世纪激光技术有限公司，北京100085；4、中国科学院光电研究院，北京100085）， 摘要: 针对高峰值功率激光器的关键技术进行了介绍和分析。对于大能量低重复频率的高峰值功率固体激光器，采用非稳腔技术，结合聚光腔增益分布的相交圆光线追迹技术，可以得到大能量高光束质量的激光输出；对于窄脉宽的纳秒/亚纳秒激光输出，端泵微片或者脉冲LD侧泵浦腔倒空技术师很好的选择；而对于超短脉冲输出的高峰值功率激光器，稳定的种子输出和再生放大在其中起着至关重要的作用。 关键词：激光技术；固体激光；相交圆聚光腔；非稳腔；亚纳秒激光； Study and development of the high peak power laser Cui Jianfeng 1,2,3,Fan Zhongwei 1,3,4, Pei Bo 3,4, Xue Yan 3, Zhang Jing 1,2,3, Yin Shuyuan3，Niu Gang 1,2,3, Shi Zhaohui 1,2,3,Wang Peifeng1,2,3, BI Yong4 (1、Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun, 130022 2、Academy of graduate, Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049 3、Beijing GK Laser Technology Co.，Ltd., Beijing 100085 4、Academy of Opto-electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085) Abstract: The pivot technology about high peak power laser was introduced and analyzed. For large energy with low repetition rate frequency LD-pumped 作者简介：崔建丰(1977—)，男，长春光学精密机械与物理研究所在读博士，北京国科世纪激光技术有限公司，主要从事半导体抽运、灯抽运高平均功率调Q激光器、高能量超快固体激光器及其频率变换技术研究。发表文章7篇，发表专利18个。Tel:+86-10-6298-1938 ;fax:+86-10-6298-1940；地址：北京市海淀区上第四街1号北京国科激光世纪激光技术有限公司，邮编：100085；E—mail：:cuijf@https://www.doczj.com/doc/e616993376.html,
关于功率MOSFET（VDMOS & LDMOS）的报告 ---时间日期：2009.11.12 ---报告完成人：祝靖1．报告概况与思路 报告目的：让研一新同学从广度认识功率器件、了解功率器件的工作原理，起到一个启蒙的作用，重点在“面”，更深层次的知识需要自己完善充实。 报告内容：1）从耐压结构入手，说明耐压原理； 2）从普通MOS结构到功率MOS结构的发展；（功率MOS其实就是普通MOS结构和耐 压结构的结合）； 3）纵向功率MOS（VDMOS）的工作原理； 4）横向功率MOS（LDMOS）的工作原理； 5）功率MOSFET中的其它关键内容；（LDMOS和VDMOS共有的，如输出特性曲线）报告方式：口头兼顾板书，点到即止，如遇到问题、疑惑之处或感兴趣的地方，可以随时打断提问。 2．耐压结构（硅半导体材料） 目前在我们的研究学习中涉及到的常见耐压结构主要有两种：①反向PN结②超结结构(包括)； 2.1 反向PN结（以突变结为例） 图2.1所示的是普通PN结的耐压原理示意图，当这个PN结工作在一定的反向电压下，在PN结内部就会产生耗尽层，P区一侧失去空穴会剩下固定不动的负电中心，N区一侧会失去电子留下固定不动的正电中心，并且正电中心所带的总电量＝负电中心所带的总电量，如图2.1a所示，A区就是所谓耗尽区。 图2.1b所示的是耗尽区中的电场分布情况（需熟悉了解），耗尽区以外的电场强度为零，Em称为峰值电场长度（它的位置在PN，阴影部分的面积就是此时所加在PN P区和N区共同耐压。图2.2所示的是P+N结的情况，耐压原理和图1中的相同，但是在这种情况中我们常说N负区是耐压区域(常说的漂移区) (a) (b) 图2.1 普通PN结耐压示意图（N浓度＝P浓度）图2.2 P＋N结耐压示意图（N浓度< 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。 13种常用的功率半导体器件介绍 电力电子器件（Power Electronic Device），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。 1. MCT （MOS Control led Thyristor）：MOS控制晶闸管 MCT 是一种新型MOS 与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将MOSFET 的高阻抗、低驱动图MCT 的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT 是一个MOS 门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。它与GTR，MOSFET，IGBT，GTO 等器件相比，有如下优点： （1）电压高、电流容量大，阻断电压已达3 000V，峰值电流达1 000 A，最大可关断电流密度为6000kA/m2； （2）通态压降小、损耗小，通态压降约为11V； （3）极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20 kV/s ，di/dt为2 kA/s； （4）开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns，1 000 V 器件可在2 s 内关断； 2. IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors） IGCT 是在晶闸管技术的基础上结合IGBT 和GTO 等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。 IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT 芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器功率0.5~ 3 MW，三电平逆变器1~ 6 MW；若反向二极管分离，不与IGCT 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半导体激光器的应用与分类
13种常用的功率半导体器件介绍
课程设计半导体激光器
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