半导体激光器ppt课件

半导体激光器简介刘正君2010年4月24日半导体激光器简介刘正君1目录半导体激光器分类半导体发光机理半导体的分类半导体激光器的原理和结构半导体激光器性质几种典型半导体激光器半导体激光器应用及举例目录2半导体激光器分类半导体激光器的种类很多，下图进行了简单示意。半导体激光器可以根据有源层材料、发射波长、器件结构、输出功率和应用领域等不同方式进行划分，分类方式灵活，相互交错。半导体激光器不同种类示意图半导体激光器分类半导体激光器不同种类示意图3 固体由原子组成，原子具有量子化的能级。由于化学环境及物理的原因，原子的能级要发生变化 每个原子核外电子的能级叠合成彼此相差很小的一组能带：原子内层能级被电子填满，由它们形成的能带也被电子占满，称为满带(价带)；外层能级未被电子填满，它们形成的能带亦未被填满，称为导带。两者间的能量距离g，称为禁带。下图简略表示出半导体、绝缘体、及金属的能带，这里仅画出了导带和满带。从能带角度看，半导体和绝缘体的差别仅在于两者的禁带不同，前者较窄，后者很宽，而金属的 g=0。固体的能带理论一、半导体异质结发光机理物质原子结构的图象：半导体固体能带结构(由多个原子的能级组成)：固体由原子组成，原子具有量子化的能级。由于化学环境及4（1）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场作用下运动而参与导电。（3）金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。（2）绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，导电性很差。外 场 满带导带满带导带满带导带（1）半导体禁带禁带外 场（2）绝缘体（3）金属（1）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导带中的电5（1）本征半导体纯净的半导体，如硅、锗等。半导体禁带宽度窄、在外场的作用下,导带中的电子、满带中的空穴都可参与导电。（本征导电性。见下图）外 场满带导带半导体的分类（1）本征半导体外场满带导带半导体的分类6硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图)本征半导体材料Si电子和空穴是成对出现的Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现E此时外加电场，发生电子/空穴移动导电硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图)本征半导体材料Si电子7（2）杂质半导体 当四价的元素中 掺入少量五价元素时形成n 型半导体。如：硅中掺入杂质磷后，磷原子在硅中形成局部能级位于导带底附近（称为施主能级）。一般温度下，杂质的价电子很容易 被激发跃迁至导带，成为导电电子，使导带中的电子浓度大大增加。n 型半导体以电子导电为主。*n 型半导体外场满带导带施主能级n 型半导体（2）杂质半导体当四价的元素中掺入少量五价元素时形8As+4As+5非本征半导体材料：n型掺入第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)后，某些电子受到很弱的束缚，只要很少的能量ED(0.040.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。施主杂质As+4As+5非本征半导体材料：n型掺入第V族元素(如磷P9*P 型半导体 四价的元素中掺入 少量三价元素时形成 P 型半导体，如：在硅中掺入三价的杂质硼，杂质原子的局部能级位于价带顶附近（称为受主能级）。一般温度下，满带中的电子很容易被激发跃迁至杂质能级上，满带中留下的空穴也将因此而大大增加，而成为多数载流子。P 型半导体以空穴导电为主。外场满带导带受主能级P 型半导体附：几个3、4、5价的元素*P型半导体四价的元素中掺入10非本征半导体材料：p型掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量EA损耗)3.相位条件波长选择LD的原理和结构激光，英文LASER是LightAmpli15粒子的正常玻尔兹曼分布：要得到激光，必须实现粒子数反转，使受激辐射占优势，为保证实现粒子数反转必须有:（1）激励能源（泵浦）电、光、气体放电、化学、核能等。（2）工作物质（激活物质），实现粒子数反转。粒子的正常玻尔兹曼分布：要得到16谐振腔腔内受激发射的光子，沿轴来回反射、强度增大，凡传播方向偏离轴方向的逸出而淘汰。反射镜镀有多层膜，适当选择其厚度，使所需波长得到“相长干涉”后，反射加强，光强度得到放大。精心设计腔长，使所需频率的波形成驻波(两端为波)，形成稳定的振荡得到加强。两端装有布儒斯特窗，得到所需的偏振态。谐振腔的作用：产生与维持光的振荡加强；使激光有极好的方向性、单色性。即对光放大实行选择、控制、增强的作用。谐振腔腔内受激发射的光子，沿轴来回反射、强度增大，凡传播方17光学谐振腔：法布里珀罗(F-P)谐振腔1.将工作物质置于光学谐振腔(F-P腔)2.光的产生及方向选择1)少数载流子的自发辐射产生光子2)偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大3)轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相干光子3.通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出法布里珀罗(F-P)谐振腔100%90%光学谐振腔：法布里珀罗(F-P)谐振腔1.将工作物质18半导体激光器的通用结构半导体激光器的通用结构LD的通用结构如图所示，一个典型的半导体激光器应当由下面几部分组成：有源区（又称为增益区）有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。有源区通常由一个或多个垂直方向的PN结构成。光反馈装置在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。频率选择元件用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。光束的方向选择元件光反馈装置可以选择激光器光束的方向。光波导用于对所产生的光波在器件内部进行引导。半导体激光器的通用结构19简单的半导体激光器由带隙能量较高的P型和N型半导体材料和一层很薄的有源层构成。在PN结加上正向偏置电压后，电子从N区向P区流动，空穴从P区向N区流动，在作用区内，电子和空穴复合产生光子。当注入电流较小时，注入结区的电子和空穴数目较少，此时只能自发辐射（荧光），光向四面八方传播；当注入电流大到一定程度时，便向外输出激光。半导体激光器的工作原理简单的半导体激光器由带隙能量较高的P20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，向有源层内注人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(法布里一玻罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P一n结平面相垂直的自然解理面构成F一P腔.半导体激光器的工作原理21(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激光从腔面输出等引起的损耗，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阈值条件。当激光器达到阈值，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。半导体激光器ppt课件22半导体激光器的性质1、伏安特性伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质，通常用V-I曲线表示。V-I曲线的变化反映了激光器结特性的优劣。与伏安特性相关联的一个参数是LD的串联电阻。对V-I曲线进行一次微商即可确定工作电流（I）处的串联电阻（dV/dI）。对LD而言总是希望存在较小的串联电阻。典型的V-I曲线和相应的dV/dI曲线半导体激光器的性质典型的V-I曲线和相应的dV/dI曲线232、P-I特性P-I特性揭示了激光器输出光功率与注入电流之间的变化规律，因此是激光器最重要的特性之一。典型的激光器P-I曲线2、P-I特性典型的激光器P-I曲线24由P-I曲线可知，半导体激光器是阈值型器件，随注入电流的不同而经历了几个典型阶段。当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，半导体激光器发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于一般的发光二极管。随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，半导体激光器发射的仅仅是较强的荧光，称为“超辐射”状态。只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光，光谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。P-I 特性曲线决定了一系列半导体激光器参数与特性：由P-I曲线可知，半导体激光器是阈值型器件，随注入电流的不同25半导体激光器的工作特性1阈值电流。当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。影响阈值的几个因素：（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。目前，室温下同质结的阈值电流大于30000A/cm2；单异质结约为8000A/cm2；双异质结约为1600A/cm2。现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。（4）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。半导体激光器的工作特性262方向性。由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20-30；在结的水平面内约为10左右（见下图）。2方向性。由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在273效率量子效率每秒发射的光子数每秒到达结区的电子空穴对数77K时，GaAs激光器量子效率达7080；300K时，降到30左右。功率效率1辐射的光功率加在激光器上的电功率由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的1最高10，只有在低温下才能达到3040。4光谱特性。由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之间，所以激光线宽较宽，GaAs激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。输出激光的峰值波长：77K时为840nm；300K时为902nm。3效率量子效率每秒发射的光子数每秒到达结28半导体激光器的模式特性LD的模式特性首先取决于光腔的三个线度（横向、侧向、纵向的尺寸）及介质特性。通常腔内能存在许多模式，但只有获得净增益（满足阈值条件）的那些模式才能被激励，它的频率才会出现在输出光中。在实际应用中，模式的稳定性和线宽是对系统性能影响较大的两个参量。LD工作在基横模时，相干性最好，因此要求LD在设计和结构上保证基横模工作。根据基横模的条件通过对光载流子的横向以及垂直向限制、减小有源区宽度和厚度等措施可以实现LD的基横模工作。半导体激光器的模式特性29半导体激光器的空间模式可以将半导体激光器的模式分为空间模和纵模(轴模)。前者描述围绕输出光束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强(或光功率)的分布，也称远场分布；后者则表示是一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率(或波长)分量上的分布。二者都可能是单模或者多模。边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且，在垂直于异质结平面方向(称横向)和平行于结平面方向(称侧向)有不同的波导结构和光场限制情况，因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。图3.3.1表示了这两种空间模式。半导体激光器的空间模式30由于有源层厚度很薄(约为0.15m)，都能保证在单横模工作；而在侧向，则其宽度相对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模。如果在这两个方向都能以单模(或称基模)工作，则为理想的TEM00模，此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。这种光束的光束发散角最小、亮度最高，能与光纤有效地耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到较小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。相反，若有源区宽度较宽，则发光面上的光场(称近场)在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝，在远场的侧向则有对应的光强分布，如图3.3.2所示。这种多侧模的出现以及它的不稳定性，易使激光器的P-I特性曲线发生“扭折”(kink)，使P-I线性变坏，这对信号的模拟调制不利；同时多侧模也影响与光纤高效率的耦合，侧模的不稳定性也影响光纤功率的稳定性；不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称，其远场呈椭圆状，其长、短轴分别对应于横向与侧向。在许多应用中需用光学系统对这种非圆对称的远场光斑进行圆形处理。由于有源层厚度很薄(约为0.15m)，都能保证在单横模工作31半导体激光器ppt课件32激光器纵模的概念激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是导带和价带的自发发射谱，谱线较宽；只有当激光器的注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于损耗，自发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡并建立起场强，这个场强使粒子数反转分布的能级间产生受激辐射，而其他频率的光却受到抑制，使激光器的输出光谱呈现出以一个或几个模式振荡，这种振荡称之为激光器的纵模。在众多的纵模中，只有那些频率落在增益介质的增益曲线范围内，且增益大于损耗的那些腔模才能在LD的输出中存在。在纵向，光波以驻波形式振荡。相邻纵模的频率间隔为激光器的多模（a）及单模（b）输出谱激光器纵模的概念激光器的多模（a）及单模（b）输出谱33(2)2)纵模的性质纵模数随注入电流而变：随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减少，一个模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。峰值波长随温度变化：半导体激光器的发射波长随结区温度而变化。当结温升高时，半导体材料的禁区带宽变窄，因而使激光器发射光谱的峰值波长移向长波长。动态谱线展宽：对激光器进行直接强度调制会使发射谱线增宽，振荡模数增加。这是因为对激光器进行脉冲调制时，注入电流不断变化，使有源区里载流子浓度随之变化，进而导致折射率随之变化，激光器的谐振频率发生漂移，动态谱线展宽。调制速率越高，调制电流越大，谱线展宽的越多。动态谱线展宽对高速光纤通信非常不利，各种动态单模激光器已得到迅速发展，如DFBLD及DBRLD。(2)纵模的性质34激光器在不同注入电流下的发射光谱与输出功率半导体激光器的发射波长随结区温度而变化。当结温升高时，半导体材料的禁带宽度变窄，因而使激光器发射光谱的峰值波长移向长波长。激光器在不同注入电流下的发射光谱与输出功率半导体激光器的发射35(3)动态单模半导体激光器实现LD单纵模工作的方法：采用短腔结构，增大相邻纵模间隔,使增益谱线范围内只有一个谱线存在，短腔制造困难，LD输出功率低。采用波长选择反馈，使不同的纵模有不同的损耗，包括：分布反馈结构和耦合腔结构。单纵模LD的性能通常由边模抑制比（MSR）来表征，定义为MSR=Pmm/Psm。Pmm为主模功率；Psm为最大边模功率。一个较好的单纵模LD，MSR应大于30dB。(4)线宽线宽是LD输出光谱的另一个重要参量。窄的线宽有利于减小光纤的色散。LD输出的影响线宽源于两个因素：一是激光腔内自发辐射引起的光场相位脉动；二是载流子浓度脉动引起的折射率变化，使光腔谐振频率发生变化。(3)动态单模半导体激光器36单纵模LD沿着谐振腔前后的轴线方向，形成的驻波。条件为：L=m(/2n)M:模的级次；n:折射率；:波长。性能评价：边模抑制比(MSR):MSR=Pmm/PsmPmm主模的功率，Psm最大边模的功率。单纵模LD沿着谐振腔前后的轴线方向，形成的驻37单纵模LD的设计原则：基于纵模的损耗差，即损耗小的模先达到阈值条件而成为振荡主模。单纵模LD的设计原则：基于纵模的损耗差，即损38横模每个纵模都存在多个横模：基模亮度高、光斑小1)与谐振腔轴有微小夹角的光束经多次反射仍满足阈值条件2)工作物质的色散、散射效应及腔内光束的衍射效应等等抑制横模的数量-增加输出光的亮度、减小发散角横模每个纵模都存在多个横模：基模亮度高、光斑小39半导体激光器的瞬态性质半导体激光器的瞬态性质半导体激光器的瞬态性质直接影响到调制光信号的质量，研究激光器瞬态性质的出发点是耦合速率方程。激光器在调制时的主要瞬态现象和效应有：（1）对激光器进行直接调制时，激光输出与注入电脉冲之间存在电光延迟时间。（2）激光器在瞬态过程中存在张弛振荡：当电流脉冲注入激光器以后，输出光脉冲表现出衰减式振荡。是激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性。张弛振荡频率与注入电流有关。（3）由于在瞬态过程中激光器有电光延迟现象，而在电脉冲过后，载流子有一定的存储时间，导致高速数字调制时激光输出出现码型效应。半导体激光器的瞬态性质40（4）由于激光器对温度很灵敏及注入电流的热效应，在比特速率不是很高时，输出光会出现结发热效应。（5）某些激光器在某些注入电流下还会出现自脉动现象。自脉动：某些激光器在某些注入电流下发生的一种持续振荡。张弛振荡和自脉动的结合：激光器激射以后，先出现一个张弛振荡的过程，随后则开始持续自脉动。（4）由于激光器对温度很灵敏及注入电流的热效应，在比特速率不41调制外调制：使用调制器(如MZM)对输出的光信号进行调制激光器的调制技术内调制：信息流直接控制激光器的驱动电流(40GHz)调制外调制：使用调制器(如MZM)对输出的光信号进行调制激42内调制基本依据：P-I曲线例：OTIP的超短脉冲光源U2TTMLL1550阈值电流在40mA左右LD的调制是通过改变其驱动电流的办法实现的内调制基本依据：P-I曲线例：OTIP的超短脉冲光源U2T43若在每次脉冲调制之后都完全停止发光，会产生码型效应。因为在电脉冲开始作用时，激光器需要一个时延来获得足以克服光损耗的增益。这个时延由自发载流子寿命决定。内调制速率限制：电光时延解决办法是在LD上持续加一个IBias=Ith，但会降低消光比若在每次脉冲调制之后都完全停止发光，会产生码型效应。因内调制44激光场的张弛振荡频率为：直接调制频率需小于张弛振荡频率。否则，数字调制要产生张弛振荡，模拟调制要产生非线性失真。当电流脉冲突然加到LD上时，其光输出呈现图示的动态响应，这是注入电子与所产生光子间相互作用的量子力学过程。内调制速率限制：张弛振荡解决的办法是在LD上持续加一个IBias激光场的张弛振荡频率为：直接调制频率需小于张弛振荡频率。否则45LD的外调制技术：马赫-曾德调制器00p p0LD的外调制技术：马赫-曾德调制器00p046温度升高：-阈值电流呈指数增长-输出功率则明显下降，当达到一定温度时LD不激射LD的温度特性温控对LD的正常使用至关重要温度升高：LD的温度特性温控对LD的正常使用至关重要47LD的温控设备LD的温控设备48F-P腔半导体激光器F-P腔激光器是指采用法布里-珀罗谐振腔作为光反馈装置的半导体激光器的统称。它的基本原理如图：F-P腔半导体激光器49F-P腔激光器一般沿垂直PN结方向构成双异质结，有源区薄层夹在P-型和N-型限制层中间。工作电流通过电极注入有源区，实现粒子数反转分布和电子空穴对的复合发光。有源区还同时起到光波导作用，利用两端晶体的天然解理面作为反射镜，构成矩形介质波导谐振腔，并在腔内产生自激振荡。F-P腔激光器通常以边发射方式由谐振腔的一端输出激光光束。F-P腔激光器一般沿垂直PN结方向构成双异质结，有源区薄50量子阱半导体激光器量子阱激光器（QWLD）是指有源区采用量子阱结构的半导体激光器。（a）SQW（b）MQW（c）应变MQW量子阱方案的能带示意图量子阱半导体激光器（a）SQW（b）MQ51结构特点：两种不同成分的半导体材料在一个维度上以薄层的形式交替排列而形成的周期结构，从而将窄带隙的很薄的有源层夹在宽带隙的半导体材料之间，形成势能阱。量子阱激光器的有源区非常薄，普通F-P腔激光器的有源区厚度为100200nm，而量子阱激光器的有源区只有110nm。当有源区的厚度小于电子的德布罗意波的波长时，电子在该方向的运动受到限制，态密度呈类阶梯形分布，从而形成超晶格结构。特性：阈值电流很低，而激光器的输出功率却相当高；谱线宽度窄，频率啁啾改善；调制速率高。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。结构特点：两种不同成分的半导体材料在一个维度上以薄层的形式交52垂直腔表面发射激光器(VCSEL)1990年：阈值电流低(100mA)，输出功率大，激光纯度高；发光面大、易于耦合；体积小、易于集成，可应用于WDM多波长系统中垂直腔表面发射激光器(VCSEL)1990年：阈值电流低(53分布反馈式(DFB)激光器内置布拉格光栅FBG：只有符合反射条件的光会得到强烈反射经历放大过程输出的波长为：m是纵模的阶数分布反馈式(DFB)激光器内置布拉格光栅FBG：输出的波54分布反馈激光器DFB基本工作原理：波纹光栅是由于材料折射率的周期性变化而形成，它为受激辐射产生的光子提供周期性的反射点，在一定的条件下，所有的反射光同相相加，形成某方向光的主极强。特性：单纵模振荡；谱线窄，波长稳定性好；动态谱线好；线性度好。分布反馈激光器DFB是随着集成光学的发展而出现的，具有动态单模特性和良好的线性。DFB激光器结构上的特点是：激光振荡不是由反射镜面来提供，而是由折射率周期性变化的波纹结构（波纹光栅）来提供，即在有源区的一侧生长波纹光栅。半导体激光器ppt课件55DFB激光器照片DFB激光器照片56分布布拉格反射(DFR)激光器-DBR激光器是将光栅刻在有源区两端-DBR激光器的特点和工作特性与DFB激光器类似，但其阈值电流要比DFB激光器的阈值电流高分布布拉格反射(DFR)激光器-DBR激光器是将光栅刻57半导体激光器的应用一、在产业和技术方面的应用：）光纤通信。光纤通信已经成为当代通信技术的主流。半导体激光器是光纤通信系统的唯一实用化的光源。）光盘存取。半导体激光已经用于光盘存储器，其最大优点是存储信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘的存储密度。）光谱分析。远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析，监测大气污染、汽车尾气等。）光信息处理。半导体激光器已用于光信息处理系统。表面发射半导体激光器，二维列阵是光并行处理系统的理想光源，可用于光计算和光神经网络。）激光微细加工。借助于Q开关产生的高能量超短光脉冲，对集成电路进行切割、打孔等。）激光报警器。半导体法庭光报警器的用途甚广，包括防盗窃案报警、水位报警、车距报警等。）激光机打印机。高功率半导体激光器已经用于激光打印机，采用蓝、绿激光能够大大提高打印速度和分辨率。）激光条码扫描器。激光条码扫描器已广泛用于商品的销售以及图书和档案的管理。）抽运固体激光器。这是高功率半导体激光器的一个重要应用，采用它来取代原来的氙灯，可以构成全固态激光系统。）高清晰度激光电视。不久的将来，没有阴极射线管的半导体激光电视机可以投放市场，它利用红、蓝、绿三色激光，估计其耗电量比现有的电视机低20%。半导体激光器的应用58半导体激光器ppt课件59激光电视是利用半导体泵浦固态激光工作物质，产生红、绿、蓝三种波长的连续激光作为彩色激光电视的光源，通过电视信号控制三基色激光扫描图像。一个激光器总是发射确定波长和颜色的光线，可以通过在激光器前面安装专门的晶体或光导生成红绿蓝颜色，然后在这些材料内通过所谓的聚焦将激光转化成期望的颜色。放映时，将红绿蓝数据送到激光单元内部的调制解调器上，视频数据通过调幅转换成光学信息，带有红绿蓝光线的三分射线组合成单一的激光射线，而包含所有图像信息的激光束再通过光缆送到放映头，最后投射到银幕上。激光电视合成图像的原理与电视机相似。激光束从上到下、从左到右进行“扫射”。水平偏转（行扫描）通过放映头中的一个多面旋转镜实现，垂直偏转（帧扫描）通过一个倾斜镜实现。激光电视与传统电视相比具有如下特点：(1)激光电视清晰度高、屏幕尺寸灵活。由于不存在聚焦问题，鲜艳的图像可以投射到各种材料表面，甚至是弯曲的表面，仍然可以清晰成像。(2)激光电视可以发展成为特超大屏幕电视、电影和投影一体化多功能产品。它较等离子体和液晶电视机工艺简单，亮度比大屏幕液晶电视机亮，且不受视角的方向性影响。(3)激光是100单色光，红、绿、蓝三色激光可利用数字信号分别调制，因为色谱纯净，所以彩色效果非常理想。现有的电视技术其实只能显示出肉眼可见色彩中的30%,而激光电视则能让你看到可见色彩中的70%。激光晶体管的室温寿命一般可达10万小时，经高温老化试验推算出的室温寿命可达百万小时，因此它是一种长寿命高可靠性的产品。(4)激光电视是利用激光束投射成象,所以在大屏幕高亮度情况下，投射出的大功率激光束如直接照射到观看者的眼睛，其安全性就不容忽视。所以在目前封闭式光路的背投激光电视是主要方向。(5)用于桌面的正投式激光电视由于显示的屏幕尺寸小,所以激光功率很小,观看安全。在将电源和无线接收单元外置的情况下,主机可以制成象香烟盒大小的尺寸，国外已有相应产品出现。激光电视是利用半导体泵浦固态激光工作物质，产生红、绿、蓝三种60二、在医疗和生命科学研究方面的应用：）激光手术治疗。半导体激光已经用于软组织切除，组织接合、凝固和汽化。普通外科、整形外科、皮肤科、泌尿科、妇产科等，均广泛地采用了这项技术。）激光动力学治疗。将对肿瘤有亲合性的光敏物质有选择地聚集于癌组织内，通过半导体激光照射使癌组织产生活性氧，旨在使其坏死而对健康组织毫无损害。）生命科学研究。使用半导体激光的“光镊”，可以捕捉活细胞或染色体并移至任意位置，已经用于促进细胞合成、细胞相互作用等研究，还可以作为法医取证的诊断技术。二、在医疗和生命科学研究方面的应用：）激光手术61脉冲激光的透切原理:脉冲激光的透切原理，可以是光致发热作用，也可以是由于光致电场及光致压强作用。现在使用的Q开关Nd：YAG激光，可以对眼内的无色素组织施行光切术。Nd：YAG激光是波长为1064nm的近红外光，对于半透明的无色素组织，约有50%的吸收率，因而对眼底组织作用很小。临床上主要是用来对膜性的白内障等无色素组织进行透切。它是利用调Q方式，使激光脉冲宽度窄至毫微米级，从而达到高强度低能量的目的，主要利用其压强作用和强电场的击穿作用进行光切。由于持续时间极短，热驰豫时间几乎为零，所以切口处几乎无热损伤。至于Nd:YAG激光倍频后得到的Fd-Nd:YAG激光，由于其波长532nm与A+激光中的绿光（514.5nm）接近，所以其透切原理也是利用光致发热作用。脉冲激光的透切原理:脉冲激光的透切原理621.光学计算机断层术即光学CT（optical computed tomography）激光断层摄影激光断层摄影（1）X射线CT围绕人体旋转小型X射线源，由检测器阵列测定X射线透射量后进行数字化，再对这些数据以特定的算法（CT算法）利用计算机求解后构成断层像（tomography）。如下图所示，光从A点入射到生物体内，在点B上观察透射光，此时透射光中包含着三种不同的光线，一种是受到散射后向任意方向散射的成分；第二种是具有较小的散射角且向前传播的成分；第三种是向前透射直线传播的成分。为了实现光学CT必须检测出第三种直线传播的透射成分的光。图8-15透过生物体（散射介质）中的光示意图1.光学计算机断层术即光学CT（opticalcompu63（2）直线传播光的透射光强非常小，因此问题在于如何将这样的信号选择出来进行高灵敏的检测。目前最有效的方法是光外差探测方法。利用外差法的光学CT检测的实验装置（3）所谓的外差探测法，一般是对两个不同频率的光波（信号波与参考波）进行混合后检测拍频信号的方法。将激光束分为参考光与入射到生物体试样的信号光。给予参考光一定的频移后与信号光混合，多次散射得到的光与参考光偏振方向不一致，不会产生拍频信号，因此检测出的拍频信号是直线传播光与参考光干涉的结果。利用外差法的光学CT检测的实验装置如下图（2）直线传播光的透射光强非常小，因此问题在于如何将这样的信64三、军事方面的应用：）激光引信。半导体激光器是唯一能够用于弹上引信的激光器。激光近炸引信能够准确地确定起爆点，并具有很好的抗电磁干扰能力，已在多种导弹和炸弹上使用。）激光制导。它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。半导体激光制导已用于地-空导弹、空-空导弹、地-地导弹等。）激光测距。主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。）激光雷达。高功率半导体激光器已用于激光雷达系统。小型激光雷达已用于常规兵器的自动目标识别和瞄准修正系统、机器人视觉系统和自主飞行器控制系统。）激光模拟。这是半导体激光器用于军事训练和学习的技术，通过调节射束的方位来达到模拟任何武器特征的目的，已经成功地模拟了步枪、火炮等。）深海光通信。近年来成为研究热点的蓝、绿激光，在海水中损耗很小，可以打破深海光通信的“禁区”。三、军事方面的应用：）激光引信。半导体激光器是唯一能够65国产国产500公斤激光制导导弹公斤激光制导导弹半导体激光器ppt课件66激光制导炸弹激光制导炸弹激光制导炸弹主要由导引头、战斗部和尾翼三大部分组成。激光导引头又分为激光接收器和控制舱两部分；战斗部主要是采用通用炸弹；也有采用集束炸弹的；尾翼的作用是增加升力，延长射程。激光制导的基本原理是：导引头上装有光学系统和四象限光探测元件，接收由目标反射的激光能量，经处理输出表征目标视线与制导炸弹速度方向之间的角视差信号，形成制导指令，输送给舵机，转动相应舵面，产生控制力，从而修正飞行弹道。据报导，美军使用的激光制导炸弹，其轰炸精度的圆周概率误差不大于10m，而普通炸弹则为100m左右。激光制导炸弹是美国首先研制的，现在已经研制成功第二代激光制导炸弹，并在B-52飞机上进行过投放实验。1991年，海湾战争的/沙漠风暴0行动中，美国空军F-117A型飞机用激光制导炸弹催毁了巴格达主要目标的95%。摧毁的目标之一是设在巴格达的伊拉克空军总部，这座多层楼的建筑是被激光制导炸弹穿透大楼顶部而摧毁的。摧毁的另一目标是钢筋混凝土构造的伊拉克防空总部，也是F-117A投下一枚激光制导炸弹，炸弹通过楼顶三个通气井之一引入内部爆炸的。激光制导炸弹67谢谢半导体激光器ppt课件68