2021[液体激光器]液体激光器的优缺点.doc

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1、2021液体激光器液体激光器的优缺点液体激光在激光美容中的作用液体激光在激光美容中的作用液体激光是一种以高科技将浓缩在结晶体内的固体远红外线，负离子，高热能，微量放射元素转化为液态离子。因为液体是流动的，所以不存在损伤和因损伤带来的问题，即使是损伤也可以很快的自行修复。激光高科技的发展使得激光美容应运而生，激光美容具有高效安全、方便快捷、痛苦小等独特的优点，开创了医学美容的新纪元，激光美容已成为当代医学美容中最具有前途和魅力的部分。从激光美容的发展过程，认识到学科交叉产生创新，科学理论对实践具有良好的指导和推动作用，科学的进步离不开科学思维的创造力。关于激光美容仪的原理是利用激光的波长对病变组

2、织的治疗，皮肤激光美容医学是皮肤科学与激光学的良性交叉科学，是一门新兴技术。随着人们生活水平的提高，运用激光技术进行皮肤美容的爱美者越来越多，激光美容的问世为美容领域提供了新的技术治疗手段，也解决了以往治疗方法无法解决的许多问题。YAG固体激光器 YAG包括： 电源 谐振腔泵浦源和冷却系统半导体激光器指示光路1 半导体激光器指示光路2调Q晶体及电源 倍频晶体 示波器激光能量探头 激光功率能量计YAG图 1 : YAG固体激光器 固体激光器控制部分包括电源、电子控制电路、 冷却系统、 触发部分等.图 2 : 电源 电源为YAG固体激光器提供高电压及其它控制电压 图 3 : 谐振腔 谐振腔是提供光

3、学正反馈的必要条件，光子在谐振腔中往返多次被放大，形成受激辐射的光放大激光。它的两端均是可以调节的，因为很多原因都可以造成谐振腔失谐，比如热膨胀、振动等。若激光器一旦失谐，即光线没有经过足够大就逸出腔外，这时必须借助于其它准直仪器进行调整，以重新找回原来的谐振状态。图 4 : 泵浦源和冷却系统 泵浦源的作用是将粒子从低能级E1抽运到激发态E3，E3上的粒子通过无辐射跃迁迅速转移到亚稳态E2，而E2是一个寿命较长的能级，这样不断积累；而E1又不断地减少，从而实现于E2间E1粒子数的反转。冷却系统是为泵中的石榴石晶体提供水冷系统，以保证其正常工作的温度。图 5 : 半导体激光器指示光路1 图 6

4、: 半导体激光器指示光路2 图 7 : 调Q晶体及电源 它是一个电光调制器，是由一个电光晶体、偏振片组成，其中偏振片由于反射的作用，即起到起偏器作用又起到检偏器作用。在加电时，驱动泵浦源，此过程为粒子积累阶段，腔内损耗大，低Q值；在粒子数反转达到最大值时，退除电光晶体上的电压，Q值突然增加，形成巨脉冲。电光晶体的电源采用的是退压式电源。图 8 : 倍频晶体 它是一个非线形元件，可以使YAG输出的1064nm的红外光变成532nm 的可见光段的绿光，使人们在不同激光波长的获取方法上又开辟了新的道路。 图 9 : 示波器 为了准确地测量脉冲的波形和脉宽，我们采用的光电二极管探头和示波器组合，可以准

5、确地捕捉到自由脉冲和调Q后的波形，该示波器是100M的Agilent 54622A 型，可以让我们计算出自由脉冲的脉宽和调Q时半值宽，加深我们对调Q的进一步的理解。图 10 : 激光能量探头 它是热效应探头。为了有效的保护探头，不致于被强激光烧毁，采用接受反射后的激光能量，这样能量大小就为入射光的4%，这样做就大大地提高了探头的安全系数。 图 11 : 激光功率能量计 用于测量激光能量探头接收到的激光能量。半导体激光器的应用半导体激光器的应用 半导体激光在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管等，广泛使用于光纤通信、光

6、盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓（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。 半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。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。半导体激光器是成熟较早,进展较快的一类激光器,由于它的波长范围宽,制作简单,成本低,易于大量生产,并且由于体积小,重量轻,寿命长。因此,品

7、种发展快,应用范围广,目前已超过300种。半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网,850hm波长的半导体激光器适用于1Gh/s局域网,1300hm一1550nto波长的半导体激光器适用于10Gb局域网系统。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。半导体激光器在激光测距,激光雷达,激光通信,激光模拟武器,激光警戒,激光制导跟踪,引燃引爆,自动控制,检测仪器等方面获得了广泛的应用,形成了广阔的市场。1978年,半导体激光器开始应用于光纤通信系统,半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统。由于半导体激光器有着超小型

8、,高效率和高速工作的优异特点,所以这类器件的发展,一开始就和光通信技术紧密结合在一起,它在光通信,光变换,光互连,并行光波系统,光信息处理和光存贮,光计算机外部设备的光耦合等方面有重要用途。半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快,最为重要的激光光纤通信的重要光源。半导体激光器再加上低损耗光纤,对光纤通信产生了重大影响,并加速了它的发展。因此可以说,没有半导体激光器的出现,就没有当今的光通信。GaAs/GaAIAs双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源。如今,凡是长距离,大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器(DFBLD)。

9、半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中,光盘技术是集计算技术,激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术是大容量,高密度,快速有效和低成本的信息存储手段,它需要半导体激光器产生的光束将信息写入和读出。下面是几种常用的半导体激光器的应用：量子阱半导体大功率激光器在精密机械零件的激光加工方面有重要应用,同时也成为固体激光器最理想的,高效率泵浦光源。由于它的高效率,高可靠性和小型化的优点,导致了固体激光器的不断更新，在印刷业和医学领域,高功率半导体激光器也有应用。另外,如长波长激光器(1976年,人们用GaInAsP/lnP实现了长波长激光器)用于光通信,短波长激光器用于光盘读出。自从NaKamura实

10、现了GatnN/QaN蓝光激光器,可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用,如cD播放器,DVD系统和高密度光存储器。可见光面发射激光器在光盘,打印机,显示器中都有着很重要的应用,特别是红光,绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛。蓝绿光半导体激光器用于水下通信,激光打印,高密度信息读写,深水探测及应用于大屏幕 彩色显示和高清晰度彩色电视机中。总之,可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源,光存贮的读出和写入,激光打印,激光印刷,高密度光盘存储系统,条码读出器以及固体激光器的泵浦源等方面有着广泛的用途。量子级联激光的新型激光器应用于环境检测和医检领域。另外,由于半导体激光器可以通过改变磁场或调节

11、电流实现波长调谐,且已经可以获得线宽很窄的激光输出,因此利用半导体激光器可以进行高分辨光谱研究。可调谐激光器是深入研究物质结构而迅速发展的激光光谱学的重要工具。大功率中红外(35邮,)LD在红外对抗,红外照明,激光雷达,大气窗121,自由空闻通信,大气监视和化学光谱学等方面有广泛的应用。绿光到紫外光的垂直腔面发射器在光电子学中得到了广泛的应用,如超高密8度,光存储。近场光学方案被认为是实现高密度光存储的重要手段.垂直腔面发射激光器还可用在全色平板显示,大面积发射,照明,光信号,光装饰,紫外光刻,激光加工和医疗等方面。如前所述,半导体激光器自20世纪80年代初以来,由于取得了DFB动态单纵模激光

12、器的研制成功和实用化，最子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的研制成功，面发射激光器的实现，单极性注入半导体激光器的研制等等一系列的重大突破，半导体激光器的应用越来越广泛，半导体激光器已成为激光产业的主要组成部分，目前已成为各国发展信息，通信，家电产业及军事装备不可缺少的重要基础。半导体激光器的发展现状和发展趋势：一是激光器研究向固态化方向发展，半导体激光器和半导体泵浦固体激光器成为激光加工设备的主导方向。由于半导体激光器和半导体泵浦固体激光器自身所具有的高光电转换效率、更小的体积以及更优化的光模式，成为目前发展最为理想、迅速的激光器。半导体激光器以及半导体

13、泵浦固体激光器的最高功率已达到了6KW，并逐步实现了设备的小型化和实用化，以其所具有的这些优势，半导体泵浦固体激光器和半导体激光器在工业激光加工、激光医疗等多个应用领域成为主流激光器，并将取代一些传统激光器的应用，例如灯泵浦的Nd:YAG激光器。二是激光技术对产品投入产出比和技术基础的优化作用更加明显，融合在产品与服务中的技术含量越来越高。飞行激光打标和彩色打标技术深受市场青睐，原因在于其控制软件实现了根据不同的颜色要求，控制不同波长的激光，不同工作时间的输出，提高了激光标记设备的使用范围。德国著名的通快公司最近推出的激光打标机，均装配了远程监控与测试系统，通过对270多个探测点的数据反馈，售

14、后服务工程师可以准确判断设备的运行情况并实施远程诊断，解决了顾客的后顾之忧。三是激光技术与众多新兴学科相结合，更加贴近人们的日常生活。激光美容技术深受越来越多女性的青睐，反映出激光技术与其它学科的融合以及应用领域范围的不断扩大。四是激光产业界并购盛行，各公司力争成为行业巨头。德国著名的通快公司（Trumpf）通过兼并、重组，现有7家从事激光产品生产的企业，其中包括知名的哈斯公司（Haas）。美国相干公司（Coherent）在2001年初将医疗激光集团出售给以色列ESC/Sharplan公司后，购买了几家从事工业激光产品制造的公司，专著于工业激光领域的技术研究和产品开发。ESC/Sharplan

15、 与Coherent合并组成的Lumenis公而司，其在世界医疗激光领域中的“龙头”地位无人能撼。这些大型企业的形成，一方面推动了激光应用技术与产业走向新的发展阶段，另一方面也表明这些厂商正在谋求对激光技术前沿。光纤激光器,灯泵浦和半导体激光器(三者比较) 光纤打标机和半导体及灯泵浦激光打标机三者 主要性能比较 武汉百一机电工程有限公司 光纤激光打标机与灯泵浦激光器性能对比光纤激光打标机设备型号及性能 “武汉百一”的BY-YLP光纤激光打标机在激光打标应用方面具有许多独特的优势。与传统的固体激光器使用晶体棒作为激光介质不同，光纤激光器的激光介质是很长的掺镱双包层光纤，并被高功率多模激光二极管所

16、泵浦。BY-YLP系列光纤激光打标机使用特点1、光束质量极好，适用于精密、精细打标BY-YLP系列光纤激光打标机光束质量比传统的灯泵浦固体激光打标机好得多，为基模（TEM00）输出，发散角是灯泵浦激光器的1/4。尤其适用于要求高的精密、精细打标。2、体积小巧、搬运方便、实现便携化BY-YLP采用光纤传输，由于光纤具有极好的柔绕性，激光器设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小。其重量和占地面积分别是灯泵浦泵浦激光打标机的1/10和1/4，节省空间，便于搬运。且采用光纤传输决定了其能适应加工地点经常变换的要求，实现产品的便携化。3、激光输出功率稳定、设备可靠性高能量波动低于2%，确保激光打标质量的稳

17、定；平均无故障使用时间可达10万小时以上，灯泵浦激光打标机的氪灯的使用寿命在800小时左右。4、效率高、能耗低、节省使用成本电光转换效率为30%（灯泵浦激光打标机为3%），设备功率仅5001000W，日均耗电10度，是灯泵浦激光打标机的1/10左右，长期使用可为用户节省大量的能耗支出。5、自主知识产权的操作软件，操作简便、功能强大可以标刻矢量式图形、文字、条形码、二维码等，可升级实现在线打标，自动打标日期、班次、批号、序列号，支持PLT、PCX、DXF、BMP等文件格式，直接使用SHX、TTF字库。激光打标机系统组成 BY-YLP型光纤激光打标机主要由四部分组成，即：进口光纤激光器、光路及振镜

18、扫描系统、计算机控制系统及工作台。 1、光纤激光器光纤激光器一体化整体结构，无光学污染、无功率的耦合损失，结构小巧紧凑，空气冷却，具有其他激光器不具备的高效率和可靠性。l 优秀的光束质量由于光纤激光器的激光介质是掺镱双包层光纤，谐振腔长，因此光束质量非常好，M2值为1.2（灯泵浦激光打标机为10），输出光斑直径可以达到20微米。优秀的光束质量确保光纤激光打标机在多种材料上令人满意的打标效果，包括：金属、陶瓷、PCB电路板、有镀层的塑胶和玻璃等。l 激光器使用寿命长YLP系列光纤激光打标机使用915nm激光二极管作为泵浦源，使用寿命为10万小时，灯泵浦激光器氪灯的使用寿命800小时左右。l 体积

19、小巧、适用于恶劣环境 由于光纤具有极好的柔绕性，激光器设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小。光纤的表面积/体积比高，散热效果好，无需庞大的水冷系统，只需有灰尘的条件下正常运转。l 免维护操作光纤激光器采用一体化设计，无需进行任何维护，当然也不包括调整或清洁镜片。节省了大量的维修时间，提高了使用方的工作效率。2、光路及振镜扫描系统光学系统：1064nm基于振镜的高精度反射、聚光系统。扩束镜：光束反射前3倍扩束组合透镜。激光校正：选用0.6328um的He-Ne激光准直系统指示光轴位置，指示光与激光同轴，在加工时可达到寻迹指示的功能，并及时进行精确对位。 振镜是使激光按照预定轨迹运行的执行机构，它

20、主要由高精度伺服电机、电机驱动板、反射镜、F-透镜及直流供给电源组成。3、计算机控制系统计算机配置P4或相当等级处理器，抗干扰的电脑主板，中文Windows XP操作系统。武汉百一精心开发的专业打标软件，并配备有专用PCI总线的D/A控制卡，方便快捷地给与振镜扫描系统数据传递及控制声光调制开关的起停，达到按照软件设计的要求进行标刻的目的。基于Windows界面的打标软件具有： 图形化的操作界面 可调用多种格式的CAD图形 多种中英文字体 直接进行系列号及条形码编辑 全面的激光参数数据库 方便的起停控制功能 帮助功能D/A控制卡是基于PCI总线的数字、模拟数据转换卡。它通过37针连接线与振镜扫描

21、系统电机驱动板和声光驱动电源相连 光纤机打标和半导体打标机及灯泵浦打标机的激光器比较 光纤机和半导体及灯泵浦打标机三者运营成本对比费用计算方法：电费 每年按照工作300天，每天工作8小时，每度电1元 100W的灯泵浦机器的耗电量6KW/小时,100W半导体机器的耗电量2.5KW/小时水 每桶纯净水10元，每2个月更换一次氪灯 使用寿命400小时，一年12只，按照成本价400元/只 100W氪灯机器需要一次换两只灯聚光腔 四年按更换一次算YAG棒 四年更换一次算以上计算还不考虑在维修过程中耽搁的时间造成的损失 半导体激光器和氦氖激光器的比较半导体激光器和氦氖激光器的比较总体来讲，红光半导体激光器

22、与氦氖激光器相比各有其优势和劣势。本文对氦氖激光器与半导体激光的优缺点进行一些简述，希望对不同应用的客户在选择激光器时产生些许帮助。 激光功率稳定性对比半导体激光器模块的核心部件为半导体激光管，即LD（Laser Diode），绝大多数半导体激光器模块生产厂家均是购买来LD然后进行装配的。 半导体激光管（LD）的激光输出功率会随其壳体的温度变化而有较大变化。下图为一个典型的半导体激光管的功率电流曲线，从图中可以看到对于同一电流输入的情况，不同的壳体温度会导致激光管输出的功率产生变化。 半导体激光器模块从散热方式上可以简单的分为两种：带温控（TEC）的半导体激光器与不带温控的半导体激光器。对于指

23、示或对准等应用，即对激光功率稳定性及激光噪声要求不高的应用，不带温控的半导体激光器模块因其低廉的价格而被大量使用。 而对于需要较高激光功率，或对激光功率稳定性及激光噪声要求较高的应用，一般均采用带温控的半导体激光器。另外，温控对于延长半导体激光器的寿命有很大的帮助。 氦氖激光器是一种气体激光器，其结构如下图， 在一定工艺的保证下，高质量的氦氖激光器具有良好的输出功率稳定性和极低的激光噪声水平，并且激光参数受环境温度影响非常小。以Melles Griot公司25-LHP系列氦氖激光器为例，其8小时功率稳定性小于+/-2%；在30 Hz to 10 MHz范围内激光噪声（RMS值）小于0.5%；激

24、光器工作温度可从20C 到 40C。激光输出波长半导体激光器的中心波长的一致性比较差，不同批次的半导体激光管的中心波长一般来说都会略有差别。所以在标明半导体激光器的波长时，正规的标法应该是给出一个波范围。例如 Melles Griot公司56RCS004/HS（28mW）的波长范围为636641nm；56 RCS 009/HS（45mW）波长范围为640645nm；56 RCS 008/HS（75mW）波长范围为655665nm。并且半导体激光管（LD）输出波长会随其壳体温度的改变而变化，在壳体温度变化20度的情况下，其输出波长有常常会变化几个纳米。 氦氖激光器的输出波长为准确的632.8nm

25、，并且不会随功率、批次及工作温度的变化而发生改变。光束质量（发散角，光斑）。半导体激光管（LD）的发出的激光束的发散角非常大，且两个方向的发散角不同（如下图），所以绝大多数半导体激光模块都要对半导体激光管发出的激光进行光束整形。 半导体激光器模块的最终光束整形的效果要视各家公司的光学设计能力有很大的不同。只经过简单整形的半导体激光器模块，由于两个方向发散角的差别，激光光斑一般会成椭圆形，且在不同的工作距离上光斑形状也会不同。 Melles Griot拥有实力强大的光学设计队伍，其56RCS系列半导体激光器光斑远场圆度均大于95，具体请见下图。 而氦氖激光器在光束质量方面则是各种激光器中的最好的

26、。以Melles Griot氦氖激光器为例，其光束质量因子M2一般均小于1.05，非常接近完美的高斯分布。 调制性能及功率控制半导体激光器可以进行高速的数字及模拟调制。以Melles Griot公司 56RCS系列半导体激光模块为例，其数字调制（TTL调制）可达350MHz，上升沿下降延时间均小于1个纳秒，过冲小于10。模拟调制也可达5MHz。而且半导体激光的输出功率可以通过对输入电流的控制或模拟调制信号方便地进行控制。 而氦氖激光器一般无法提供调制功能功率也无法进行调节。综上所述，半导体激光器与氦氖激光器各有其优势， 总结如下：半导体激光器对比于氦氖激光器的主要优势在于：1、价格便宜，2、体

27、积小；3、可以做高速调制，4、功率可以很方便的进行各种调制，5、功率可控而氦氖激光器相对于半导体激光器的主要优势在于：1、优质的光束质量；2、良好的功率稳定性；3、激光参数（波长、光斑直径，发散角、光斑能量分布）一致性好。(编辑：wander)量子阱半导体激光器量子阱半导体激光器的原理及应用刘欣卓（06009406）（东南大学 电子科学与工程学院 南京 210096）光电调制器偏置控制电路主要补偿了激光调制器的温漂效应，同时兼顾了激光器输出功率的变化。链路采用的激光器带有反馈PD，输出对应的电压信号。该信号经过放大后直接作为控制系统的输入,将两者的电压相减控制稳定后再放大。反馈光信号经过光电转

28、换和滤波放大两个环节。最后一节采用低通滤波器排除射频信号的影响。放大环节有两个作用。其一：补偿采样过程中1%的比例；其二：通过微调放大倍数实现可调的偏置。偏置控制主要是一个比例积分环节，输出作为调制器的偏置。关键词： 光电调制器；模拟偏置法；误差High-speed Optical Modulator Bias ControlLIU XinZhuo 2) (06009406)(1) Department of Electronic Engineering, Southeast University, Nanjing, 210096Abstract: The optical modulator

29、bias control circuit compensates for the drift of the laser modulator effect. It also takes into accountthe changes in the laser output power. Link uses the laser with feedback PD and the output corresponds to voltage signal. The signal after amplification is acted as the input of the control system

30、. After the two voltage signals reduction and stability, the output may be amplified. The feedback optical signal includes photoelectric conversion and filtering amplification. The last part of circuit excludes the influence of the RF signal through a low pass filter. We know that enlarge areas have

31、 two roles. First: it can compensate for sampling ratio of 1%of the process; Second:itcanrealizeadjustable biasby fine-tune magnification.The biascontrolis a proportional integral part of the output of the modulator bias.Abstract: Specific charge of electron; magnetic focusing; magnetic control tube

32、; Zeeman effects; error作者的个人学术信息：刘欣卓，1991年，女， 南京市。大学本科，电子科学与工程学院。liuxinzhuo.1.量子阱半导体激光器的发展历程1.1激光器研制的现状随着光子技术的发展,光子器件及其集成技术在各领域的应用前景越来越广阔，尤其在一些数据处理速率要求极高的领域，光子器件正逐步取代电子器件。可以预见，不久的将来，光子器件及光子集成线路在各行业所占的比重将不亚于目前集成电路在各领域的地位及作用。而激光器作为光子器件的核心之一，对其新型结构的研制更是早就提上了日程，并取得了一定的进展。为了研制出阈值电流低、量子效率高、工作于室温环境、短波长、长寿命

33、和光束质量好等要求的半导体激光器, 研究人员致力于寻找新工作原理、新材料、新结构以及各种新的技术。在此，半导体激光器(LD)，特别是量子阱半导体激光器(QWLD)正逐步作为光通信和光互连中的重要光源。 1. 2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，较常规激光器而言，产生激光的具体过程比较特殊。半导体激光器工作物质的种类有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。工作物质的结构也可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。其从激励方式上来说，则又有电注入、电子束激励和光泵浦三种。总之，我们根据诸如光纤等具体应用的特定需

34、求，可根据以上分类方法量身定制激光器。半导体激光器具有许多突出的优点：包括转换效率高、覆盖波段范围广、使用寿命长、可直接调制、体积小、重量轻、价格便宜、易集成等。所以，成功，并在此基础上提出了微带超晶格红外激光器的理论构架。另外，具有更好性能的低维超晶格量子线、量子点激光器的研究也已经开始进入议程。2量子阱半导体激光器的原理2.1量子阱及其能带结构 其发展速度之快、应用范围之广、潜力之大是其它激光器无法比拟的。但是，由于一些特殊应用的需要，半导体激光器的性能有待进一步提高。 1.3量子阱半导体激光器的提出量子阱结构的提出源于60年代末期贝尔实验室的江崎(Esaki)和朱肇祥关于超薄层晶体的量子

35、尺寸效应的研究。他们发现，当超薄有源层材料晶格尺度小于电子的德布罗意波长时，有源区就变成了势阱区，其两侧的宽禁带系材料成为势垒区，电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动时将出现量子化特点。从而使半导体能带出现了与块状半导体完全不同的形状与结构。在此基础上，根据需要，通过改变超薄层的应变量使能带结构发生变化，逐步形成针对应变量子阱结构研究和应用的新领域。80年代，量子阱结构在激光器上的使用，使半导体激光器在性能上出现了大的飞跃。具有量子阱结构的量子阱半导体激光器与双异质结半导体激光器(DH)相比，具有阈值电流密度低、量子效应好、温度特性好、输出功率大、动态特性好、寿命长、激射波长短等优点。目前，量子阱已

36、成为人们公认的半导体激光器发展的根本动力。1. 4量子阱激光器的发展历程 量子阱半导体激光器的发展历程大致包括几个重要科研成果的诞生。1976年，人们用GaInAsP/InP实现了长波长激光器。关于该激光腔的结构，Kogelnik和Shank提出了分布反馈的模式，主要为以单片形式形成谐振腔。Nakamura用实验证明了光泵浦的GaAs材料形成的分布反馈激光器(Dp)的可行性。Suematsu提出了用于光通信的动态单模激光概念，并用整体激光器验证了这种想法。1977年，人们提出了面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件。1994年，一种具有全新机理的波长可变、可调谐的量子级联激光器第一次研制

37、量子阱是指由窄禁带系超薄层被夹在两个宽带系超薄层之间排列而形成的，具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子渡越函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。量子阱结构中因为其有源层厚度仅在电子平均自由程内，所以阱壁起到很好的限制作用，使阱中载流子只在平行与阱壁的平面内有二维自由度。在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能

38、量的关系为台阶形状，其阶梯状能带允许注入的载流子依子代逐级填充，提高了注入有源层内载流子的利用率，故量子阱激光器的微分增益远高于一般体材料激光器。2.2半导体激光器的原理及限制 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。首先，必须建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半 导体中要实现粒子数反转，必须使两个能带区域之间，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，这以给同质结或异质结加正向偏压，或向有源层内注人必要的载流子来实现。其目的为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

39、用。其次，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，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。最后，提供足够大的增益，不断增加腔内的光场，以弥补谐振腔的光损耗及腔面的激光输出等损耗。为满足上述一点，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，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。然而，典型半导体激光器通常为窄带设备，只能以特有波长发出单色光。

40、相比之下，量子阱结构的半导体具有超宽带的特点，可以同时在更宽的光谱范围内选取波长。因此，对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。 2.3量子阱半导体激光器的结构直腔面发射LD在量子阱结构出现以后才成为可能。根据光输出方向与结平面的关系，LD可分为边发射LD和垂直腔面发射LD。垂直腔面发射LD为光垂直于结平面的方向输出。垂直腔是指激光腔的方向，即光子振动方向垂直于半导体芯片的衬底，光在有源层厚度方向得到放大。由于有源层厚度很小，要想实现低阈值的激光振荡，要求要有高增益系数的有源层介质，即采用量子阱材料。另外，还需要有高的腔面反射率。而提高腔面反射率的方法是在腔面

41、镀高反膜，但是难度较大。激光器工作时，腔内形成稳定的驻波场，须使有源区与腔内驻波场有最大的重叠，同时适当增加腔长以有利于增加基模直径，从而提高输出功率。因此，有源层应与驻波场中心峰值强度对应的 /4n范围有最大的重叠，在此范围内生长多量子纳米材料课外论文阱结构有利于获得更大的功率输出。另外，要有高的输出功率，须有高的功率效率，即要有高的微分量子效率，有远大于阈值的工作电流。若腔长为波长量级，则激光器将出现由自发辐射所控制的新的效应。自发辐射因子的增加，将产生更多的受激发射“种子”，从而导致阈值电流下降。若在阈值电流以上，在给定注入速率下注入的载流子寿命依阈值电流的降低而等比率的减少，从而能使调

42、制带宽增加。 2.4 量子阱半导体激光器工作物质的制备 衬底出光的 InGaAs/ GaAs量子阱垂直腔面发射半导体激光器的有源层由三个InGaAs/ GaAs应变量子阱组成 , InGaAs 量子阱宽为 8nm , GaAs 势垒宽为 10 nm，三个量子阱被上、下AlGaAs限制层包围构成为一个波长的谐振腔。其中p 型反射镜为 38. 5周期(掺杂C ),n 型反射镜为28. 5周期(掺杂 Si)，n型反射镜的对数比p型反射镜对数少，以使器件的光从n型反射镜一侧由衬底出射形成衬底出光型器件。在p型分布的布拉格反射镜与有源区之间加入一层由Al组分的As层,厚度为 30 nm ,此层在器件的工

43、艺过程中将被氧化为 AlxOy 绝缘层，形成电流注入窗口,起到电流限制作用。器件结构中各外延层由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术在 GaAs衬底(掺杂Si )上外延生长获得。工艺过程中 ,采用化学湿法腐蚀法 ,腐蚀出直径为350m的圆形台, 腐蚀深度以露出Al0.98Ga0.02As层为宜，之后把器件置于高温(420)湿氮环下对Al0.98Ga0.02As 层进行氧化处理 ,转化为 AlxOy 绝缘层,形成300m直径的电流注入窗口。之后对器件的衬底进行减薄和化学辅助抛光处理，减薄到大约 150m左右，以减少衬底对器件的串联电阻的贡献。在P型分布的布拉格反射镜侧做大面积的Ti-Pt-A

44、u 金属接触。在n型GaAs衬底上蒸发制作Si/ SiO2增透膜膜系，以提高输出光功率，并由自对准光刻技术保留出光窗口之后作衬底侧的n型金属接触层。最后由快速热退火炉进行合金退火处理。整个器件结构由In焊料( In焊料为软焊料 ,可以减少封装过程中引入到外延片的应力) 把器件焊接到铜热沉上，之后进行电极过渡，用超声金丝球焊引线,对器件进行简单的封装，并对器件特性进行测试。3量子阱半导体激光器的原理量子阱半导体激光器的主要应用及进展量子阱半导体激光器凭借其突出的优点在许多领域得到广泛应用。 3.1 可见光半导体激光器红光半导体激光器主要应用在光信息存储、条形码识别、激光打印、医学仪器等方面，而蓝

45、绿激光在海洋探测中发挥作用，另外，RGB半导体光源将对图像及信息处理产生重大影响。目前，红光半导体激光器已逐渐取代传统的气体激光器, 例如，InGaAlP材料的红光应变量子阱激光器已经实现了产品化。随着其性能的不断提高，有望在一定程度上取代He-Ne激光器。蓝绿光激光器经过了一个相当困难的阶段才逼近市场，主要是由于材料与衬底的匹配以及制作工艺等原因。3.2光纤通讯中半导体激光器及大功率半导体激光器作为光源，量子阱（特别是应变量子阱）半导体激光器除具有半导体激光器的体积小，价格低，可以直接调制等优点外，还有好的动态特性，低的阈值电流，引入光栅进行分布反馈等特点，其已然成为目前高速通信中最为理想的

46、光源。作为EDFA的泵浦源，980nm低阈值大功率AlGaAs/InGaAs，InGaAlP/InGaAs，等应变量子阱激光器相继研制成功，且可以获得比1480nm波段泵浦更高的耦合效率。应变量子阱材料半导体光放大器（SLA）具有宽且平的增益谱，易集成，低损耗，体积小，价格便宜等优点，最重要的应用是波长转换器，实现灵活的波长路由。此外，还希望用其作为光传输系统中1310nm窗口的功率放大器，线路放大器和前置放大器以及利用SLA中的非线性来作啁啾补偿和色散补偿。大功率半导体激光器主要用于泵浦固体激光器（DPSSL）、泵浦光纤放大器及生物学、医学等。纳米材料课外论文4量子阱半导体激光器的未来及展望

47、目前，量子阱激光器的许多研究还处于发展阶段，许多问题值得我们继续思考：如，半导体激光器现存的温度尺寸阈值、波长、效率等的依赖关系能否消除；微型器件的尺寸对输出功率范围的限制；如何实现完全控制自发辐射；如何进一步提高材料的制作工艺等。从异质结到量子阱、应变量子阱，半导体激光器的性能出现了大的飞跃，以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制及以其他半导体器件集成的能力强等特点成为信息技术的关键器件。并随着其发展，在材料加工、精密测量、军事、生物、医学等领域显示出巨大潜力。量子阱半导体激光器也将是光子集成和光电子集成的核心器件。随着新的有源材料、新的器件结构、更好的制作工艺的不断涌现，量子

48、阱半导体激光器的性能将得到不断提高、波长范围不断拓宽，其发展前景将更加光明。 参考文献：1 王绍民，赵道木，吕章德，周国泉，黄富泉，徐锦心.量子阱半导体激光器的光束质量J.光子学报，2001,30(4):4834862 Fang Gaozhan, Xiao Jianwei, Ma Xiaoyu, Feng Xiaoming, Wang Xiaowei, L iu Yuanyuan,Liu Bin,Tan Manqing and Lan Yongsheng. High Power 808nm AlGaAs/GaAs Quantum Well Laser Diodes with Broad Wav

49、eguideJ.半导体学报，2002,23(8):809812 , 3 毛陆虹,郭维廉,陈弘达,吴荣汉.量子阱半导体激光器调制特性和噪声的电路模拟J.通信学报,2001,22(1):38424 晏长岭,宁永强,秦莉,张淑敏,赵路民.高功率InGaAs量子阱垂直腔面发射激光器的研制J.2004,33(9):102910315 江剑平 半导体光电子学 电子工业出版社 2000 6 黄德修 半导体器件及其应用 国防工业出版社 19997 Peter S.Zory,Jr. Quantum Well Lasers Published by Academic Press 19938 J. Jiang Liu, Member, IEEE, Brian Riely, Paul H. Shen, Senior Member, IEEE,etc.Ultralow-Threshold Sapphire Substrate-Bonded Top-Emitting 850-nm VCSEL纳米材料课外论文A