大功率半导体激光器及其应用课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大功率半导体激光器及应用,大功率半导体激光器及应用,概 述,一、激光,二、半导体激光器,三、大功率半导体激光器研究进展,四、半导体激光器的典型应用,五、半导体激光器市场及发展前景,概 述一、激光,一、激 光,激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术，并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探索自然和改造自然的强有力工具。,与电子电力技术、自动化测控技术的完美结合，使激光技术能够更好的为人类创造美好生活。,一、激 光激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术，并列,1,、激光的概念,激光（,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,，,LASER,）一词是受激辐射光放大。,1960,年，美国物理学家梅曼（,Maiman,）在实验室中做成了第一台红宝石,(Al,2,O,3,:Cr),激光器。,我国于,1961,年研制出第一台激光器（长春光机所，长春光机学院）,从此以后，激光技术得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。,Charles H. Townes,（汤森,),Arthur L. Schawlow,（肖洛夫）,Maiman,（梅曼）,1、激光的概念激光（Light Amplification,原子和能级,按量子力学理论，原子具有的能量是随原子种类不同而不等的离散性数值，可以用电子的动能和势能之和表达。,原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。,三种类型的跃迁：吸收、自发辐射和受激辐射。,E,1,E,3,E,2,原子和能级按量子力学理论，原子具有的能量是随原子种类不同而不,光子的吸收,一个原子开始时处于基态,E,1,，若不存在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为,h,v,，与该原子发生相互作用。且,hv=E,2,-E,1,，其中：,E,2,为原子的某一较高的能量状态,-,激发态。则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为吸收。,只有外来光子的能量,hv,恰好等于原子的某两能级之差时，光子才能被吸收。,E,1,E,3,E,2,hv,E,1,E,3,E,2,光子的吸收一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外来影响，,自发辐射,处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为,10,-8,s,），会自发地返回基态去，同时放出一个光子。,这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。,hv,自发辐射示意图,E,1,E,3,E,2,自发辐射处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非,自发辐射的特点,这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。,例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的光彩。,自发辐射的特点这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地,受激辐射,激发态的原子，受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足,hv=E,2,-E,1,，原子就有可能从激发态,E,2,跃迁至低能态,E,1,，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。这一过程被称为受激辐射,E,1,E,2,hv,E,1,E,2,hv,hv,受激辐射示意图,受激辐射激发态的原子，受到某一外来光子的作用，而且外来光子的,2,、产生激光的必要条件,粒子数反转,：选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质中能形成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件；,光学谐振腔,：选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受激辐射光束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、单色性、强度等极高的激光束；,一定的阈值条件,：外部的工作环境必须满足一定的阈值条件，以促成激光的产生。,2、产生激光的必要条件粒子数反转：选择具有适当能级结构的工作,3,、激光的特点,方向性好,：激光是沿一条直线传播，能量集中在其传播方向上。其发散角很小，一般为,10,-5,10,-8,球面度。,单色性强：,从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色光的谱线宽度约为,10,-2,纳米，而氦氖激光器发射的,632.8,纳米激光的谱线宽度只有,10,-9,纳米。,亮度高：,一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大,10,亿倍。,相干性好：,普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里，比普通光源大几个数量级。,3、激光的特点方向性好：激光是沿一条直线传播，能量集中在其传,4,、激光器的种类,按工作物质的性质分类,气体激光器：氦一氖气体激光器，方向性好，单色性好，输出功率和波长能控制得很稳定。,固体激光器：典型代表有,Nd,3+,:YAG,，能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用等优点。,半导体激光器：以半导体为工作物质，常用材料有,GaAs,、,InP,等。具有小型、高效率、结构简单等优点,液体激光器：有机化合物液体（染料）和无机化合物液体激光器，波长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短的超短脉冲、可获得窄的谱线宽度。,按工作方式区分,连续型,脉冲型,4、激光器的种类按工作物质的性质分类,5,、其它激光器,光纤激光器,化学激光器,气动激光器,色心激光器,自由电子激光器,单原子激光器,X,射线激光器,5、其它激光器光纤激光器,二、半导体激光器,1962,年，美国，同质结,GaAs,半导体激光器，液氮温度下脉冲工作。,1967,年，液相外延的方法制成单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作。,1970,年，美国的贝尔实验室制成了双异质结半导体激光器,实现了室温连续工作。,70,年代以后。量子阱技术、,MBE,、,MOCVD,新型外延技术,-,量子阱激光器（阈值电流密度低、电光转换效率高、输出功率大）。应变量子阱，生长非晶格匹配的外延材料，拓宽了激光器波长范围。,1965,年 中国 北中科院北京半导体所。,二、半导体激光器1962年，美国，同质结GaAs半导体激光器,激光二极管,激光二极管,1,、半导体激光器的特性,转换效率高：,70%,。,体积小：,70%。,2,、半导体激光器的分类,半导体激光器通常可以按照半导体,材料,，发射,波长,，器件的,结构,，,输出功率,进行分类。,大功率半导体激光器的种类：,单管：宽条形激光二极管,Bar,条：线列阵激光二极管,叠层：面阵激光二极管,2、半导体激光器的分类半导体激光器通常可以按照半导体材料，发,3,、 激光二极管工作原理,产生的激光条件,受激辐射放大,光学振荡反馈,激光的阈值条件：增益大于损耗,半导体激光器的三个问题,光增益,谐振腔,发光效率,3、 激光二极管工作原理产生的激光条件,半导体物理基础知识,能带理论,直接带隙和间接带隙半导体,能带中电子和空穴的分布,量子跃迁,半导体异质结,半导体激光器的材料选择,半导体物理基础知识能带理论,能带理论,:,晶体中原子能级分裂,晶体中的电子作共有化运动，所以电子不再属于某一个原子，而是属于整个晶体共有,晶体中原子间相互作用，导致能级分裂，由于原子数目巨大，所以分裂的能级非常密集，认为是准连续的，即形成能带,半导体中电子的能级与金属有本质的区别，在半导体中原子和价电子间的相互作用使价电子分成被禁带相隔的价带和导带。,在金属中，不同的能带交叠形成一个有部分充满电子的能带,单晶,Si,的二维结构和能带图,Li,原子和金属的能带结构图,能带理论:晶体中原子能级分裂晶体中的电子作共有化运动，所以电,能带中电子和空穴的分布,能带中电子和空穴的分布,掺杂半导体,- n,型半导体,(As-Si),掺杂半导体- n型半导体(As-Si),掺杂半导体,-,p型半导体,(,B-Si,),掺杂半导体- p型半导体(B-Si),n,型半导体和,p,型半导体能带图,n型半导体和p型半导体能带图,光的受激辐射、自发辐射和吸收对应的跃迁,光的受激辐射、自发辐射和吸收对应的跃迁,直接带隙和间接带隙半导体,直接带隙半导体跃迁几率高，,适合做有源区发光材料,（如,GaAs,，,InP,，,AlGaInAs,）,间接带隙半导体电子跃迁时：始态和终态的,波矢不同，必须有相应的声子参与吸收和发,射以保持动量守恒，所以跃迁几率低。,（如：,Si,，,Ge,等）,直接带隙和间接带隙半导体直接带隙半导体跃迁几率高，间接带隙半,直接带隙半导体能带图,电子吸收光子跃迁到导带上，在价带上就会产生一个空穴。,电子,空穴对的辐射复合而产生半导体激光器的光增益,直接带隙半导体更容易产生辐射。,多数的三五族化合物半导体是直接带隙半导体。,直接带隙半导体能带图 电子吸收光子跃迁到导带上，在价带上就会,半导体激光器的材料选择,发射波长：半导体激光器的波长由禁带宽度决定,-,晶体材料决定。,晶格常数与衬底匹配,半导体激光器的三个问题：光增益、谐振腔、发光效率,半导体激光器的材料选择发射波长：半导体激光器的波长由禁带宽度,3.1 半导体中的光增益,激光二极管采用注入电流直接驱动。,pn,结加正向电压，空穴将会向,n,型区移动，电子向,p,型区移动。在,pn,结处，电子和空学复合，产生光电子。,注入的电荷密度,10,18,10,19,cm,-3,，产生的光子就会大于损失的光子。,早期激光二极管采用的是,GaAs,同质结结构。有源层的厚度由扩散长度决定，一般为,2m,。,3.1 半导体中的光增益激光二极管采用注入电流直接驱动。早期,双异质结构激光二极管的结构,双异质结构激光二极管的结构,量子阱结构,量子阱结构,单量子阱结构,现代的激光二极管，有源区采用量子阱结构，厚度约为,10nm,。,单量子阱结构现代的激光二极管，有源区采用量子阱结构，厚度约为,多量子阱结构,多量子阱结构,量子阱作为有源区的几点优势,量子阱外带隙大，注入载流子被限制在,QW,区域产生反转。由于量子阱很薄，注入电流密度比同质结减少了,1000,倍。,载流子被有效的捕捉进量子阱中，使其没必要将掺杂物质掺杂到靠近结处。辐射复合的效率超过,90%,，好的材料能达到接近,100%,。,低掺杂导致了很低的内部损失。因此,QW,结构使长腔激光器有很高的外部效率。（增加腔长来减少热效应和串联电阻）,量子阱厚度为,10nm,。这样的薄层允许材料的晶格常数,GaAs,有一些失配。,将,Ga,的一部分换成,In,，波长将会达到,1100nm,。引入的张力进一步提高了态密度的分布，阈值电流密度大概为,200A/cm,2,。将,As,换成,P,，波长范围可扩展到,730nm,。,量子阱作为有源区的几点优势 量子阱外带隙大，注入载流子被限制,几种波长激光二极管的材料组份,几种波长激光二极管的材料组份,3.2 光学谐振腔,3.2 光学谐振腔,3.2.1,垂直波导结构,垂直结构，也就是外延层结构，包括光波导和采用量子阱的,PN,结。,波导的设计利用了折射率,n,随禁带宽度变化这一特点（禁带宽度增加折射率降低）。,QW,被镶嵌在高折射率材料的核心区，盖层的折射率比核心区要低。,AlAs,： 折射率为,2.9,，禁带宽度,2.9eV,。,GaAs,：折射率为,3.5,，禁带宽度,1.4eV,。,分别限制异质结（,SCH,）,3.2.1 垂直波导结构垂直结构，也就是外延层结构，包括光波,垂直波导结构的设计,对于大功率，高效率激光二极管，波导的设计就是对几个不利因素的优化 。,对于,TM,模，限制因子,：,光束的强限制因子导致了大的腔面载荷和大的光束发散,层结构影响串联电阻和热阻。,好的墙插效率和热稳定性需要对薄层结构的光波进行优化,垂直波导结构的设计对于大功率，高效率激光二极管，波导的设计就,810nm外延结构图,有源层是一个张应力,GaAsP,量子阱结构，厚度为,15nm,。,芯层由,Al,0.45,Ga,0.65,As,组成。盖层为,70%,的,AlAs,。,随着芯层的厚度增加光束发散角和腔面承受的功率密度会而急剧减小（,LOC,为大光学腔）。,增加腔长可以弥补由于低限制因子对增益的影响，获得高效率激光器,810nm外延结构图有源层是一个张应力GaAsP量子阱结构，,3.2.2,横（侧）向波导,层结构给出了有效折射率的值，这个值接近芯层折射率。任何一个对波导结构折射率的影响都会改变有效折射率。,侧向有效折射率发生变化，波导就类似于垂直结构，与通常的波导相似形成了芯层和盖层。,对于大功率激光二极管器，产生一个弱波导。弱波导有更大的基模尺寸，更低的腔面载荷和更高的输出功率。,3.2.2 横（侧）向波导层结构给出了有效折射率的值，这个值,宽条形激光器,有效折射率随注入电流增加降低。,串联电阻和非辐射复合影响，层结构的温度上升，使折射率上升。,这两种效应都可改变有效折射率，数值为,10,-4,10,-3,。,在阈值处，载流子的影响占主要作用。产生了由于折射率退化而产生的反波导效应。反波导导致了光学损失，在阈值附近效率有轻微下降。,在阈值之上，激光器热效应的影响占主要地位。在电流注入区的折射率更高，使得激光器有标准的折射率导引。效率稍有提高，但激光发散角也稍有增长。,宽条形激光器有效折射率随注入电流增加降低。,折射率导引激光器（,Index guide LD,）,强折射率导引的掩埋异质结激光器（,BH-LD,）,折射率导引激光器（Index guide LD）强折射率导引,弱折射率导引激光器,脊波导激光器（,RWG-LD,）,改变侧向的层结构，使有效折射率产生变化。,其中最容易的办法是在,P,面刻蚀盖层，将一部分波导层腐蚀，选择低折射率材料代替，如,Al,2,O,3,或,Si,3,N,4,，有效折射率将减小。,在大功率器件中此结构常被采用作为模式选择过滤器,弱折射率导引激光器脊波导激光器（RWG-LD）改变侧向的层结,4.,发光效率,F-P,激光器的转换效率（插头效率）,i,内量子效率，受非辐射复合和载流子泄露影响。,第,二部分是输出耦合和总的谐振腔损耗的关系,第,三部分代表了获得注入电流必要电压和的实际电压的关系,，,包括了由芯片内,、,外部串联电阻引起的附加电压,。,第四相,描述激光器的工作,电流,超过阈值,电流。,4. 发光效率F-P激光器的转换效率（插头效率）,5,、 制造技术,基本的半导体激光器由晶体衬底上的有源层，注入电流的金属电极，和两个腔面面构成的谐振腔组成。,制造激光器需要以下步骤,在衬底上进行外延生长,表面图形制作，形成绝缘区和导电区,解理和腔面镀膜形成谐振腔,将芯片固定在热沉上,5、 制造技术基本的半导体激光器由晶体衬底上的有源层，注入电,5.1,外延生长技术,对大功率激光二极管来说半导体三五族外延生长，尤其是,GaAs,生长至关重要。,外延生长方法,液相外延：优点是很容易生长很厚的外延层。,气相外延（,MOCVD),：可精确控制元素组分和沉积厚度,分子束外延（,MBE,）：,5.1 外延生长技术对大功率激光二极管来说半导体三五族外延生,MOCVD/MOVPE,MOVPE,（,metal-organic vapor phase epitaxy),衬底由装片位置,A,移动到生长位置,B,。在生长过程中，金属有机化合物和氢化物进入反应室，这些物质分解并沉积在热的基底上。沉积温度通常在,600800C,MOVPE,的生产规模大也是其优势之一。,材料的危险和工艺的复杂是,MOVPE,的缺陷。,MOCVD/MOVPEMOVPE（metal-organic,MBE,MBE,是制造相同器件的另一种方法。与,MOVPE,不同，,MBE,采用不同元素的分子束，不采用气体形式。,因此，除了对组分，沉积速率和层厚度有良好的控制以外，,MBE,可提高外延片的纯度。,MBE,的不足之处是设备的成本和层均匀与分子束相互依赖限制了大规模生产。,MBE MBE是制造相同器件的另一种方法。与MOVPE不同，,大功率半导体激光器对外延的要求,精确控制掺杂水平,精确控制每层的元素组分,每层的杂质得到精确限制,控制生长层的能力（从单原子层到几微米）,在生长条件下有改变化合物组分的能力,有好的可重复性和均匀性,大功率半导体激光器对外延的要求 精确控制掺杂水平,5.2,、器件工艺,光刻：在半导体层上的刻槽限制电流横向扩散和防止在垂直于传播方向上产生激光。,淀积绝缘层：限制电流注入区,金属化：形成,P,型、,N,型的金属接触。,解理：构成了谐振腔,5.2、器件工艺光刻：在半导体层上的刻槽限制电流横向扩散和,光刻,光刻,介质膜的沉积,介质膜经常用,PECVD,（,plasma-enhanced chemical vapor deposition,等离子体增强化学气相淀积）方法进行沉积,介质膜的沉积 介质膜经常用PECVD（plasma-enha,金属化,金属区必须满足：,有效将电流注入到半导体中,在整个接触面积上有很好的电流扩散,良好的导热性，可以很好地将器件产生的废热排除,与周围封装有稳定的机械接触,P,面溅射,TiPtAu,减薄,N,面,TiAu,金属化金属区必须满足：P面溅射TiPtAu,5.3,、腔面镀膜,腔面膜必须满足以下性质：,稳定的化学和机械特性,好的粘附性,机械应力较低,在激射波长处有较高的透明度,光学特性可调,5.3、腔面镀膜腔面膜必须满足以下性质：,5.4,、封装,芯片的封装主要是将芯片高质量地装配在热沉上，同时保证有效的电接触和热接触。,高功率半导体激光器的封装：有效降低芯片工作时废热的积累，提高激光器的输出功率和工作寿命。,芯片焊接技术,高效冷却技术,组装技术,5.4、封装芯片的封装主要是将芯片高质量地装配在热沉上，同时,芯片焊接技术,铟焊工艺：,铟焊料在高电流下易产生电迁移和电热迁移的问题，影响半导体激光器的稳定性。,AuSn,焊工艺,金锡焊料不能像铟焊料那样有效地释放热应力，巴条和热沉之间增加了热膨胀系数匹配的缓冲层,不同焊料封装激光器加速寿命测试对比曲线,芯片焊接技术铟焊工艺：不同焊料封装激光器加速寿命测试对比曲线,高效冷却技术,传导冷却,膨胀系数匹配,微通道热沉,高效冷却技术传导冷却,组装技术,水平封装阵列,垂直封装阵列,组装技术水平封装阵列,6,、半导体激光器光纤耦合技术,一种新型的封装形式,改善光束质量,便于应用,光纤耦合器件的优点,体积小、重量轻、亮度高等；,可绕性好、孔径小、损耗低及改善光场分布。,应用领域,通讯、医疗、材料处理、泵浦固体激光器、激光测距、激光制导、激光夜视等。,6、半导体激光器光纤耦合技术一种新型的封装形式,大功率半导体激光器的光束特点,输出光束极不对称,输出光束存在很大像散,大功率半导体激光器的光束特点 输出光束极不对称,光纤耦合技术,根据光束的数量的不同分为,:,单光束耦合,:,利用单发射区激光器与光纤耦合的技术称作单光束耦合技术,.,多光束耦合,:,采用利用多只单发射区激光器激光束合束后耦合进光纤输出的技术称作多光束耦合技术。,光纤耦合技术根据光束的数量的不同分为:,6.1,单光束耦合,单光束耦合系统可以分为两类：,直接耦合：光纤直接耦合与光纤微透镜直接耦合,。,间接耦合：采用分立的小型或微型光学元件构成的间接耦合；,6.1 单光束耦合单光束耦合系统可以分为两类：,6.1.1,直接耦合,（,1,）,LD,与多模光纤的直接耦合,(a),平行于,pn,结平面,(b),垂直于,pn,结平面,直接耦合示意图,6.1.1 直接耦合 （1）LD与多模光纤的直接耦合(a),耦合效率理论计算曲线,影响耦合效率的因素：,调整精度、光纤端面的加工精度等工艺因素。,激光器的近场宽度，光纤的数值孔径。,在发光区不变的情况下，,光纤数值孔径的减小耦合效率迅速降低。,大功率,LD,在垂直于,pn,方向的近场宽度很小，因此,LD,与多模光纤的直接耦合效率较低。,耦合效率理论计算曲线 影响耦合效率的因素：,（,2,） 光纤微透镜直接耦合,采用一定加工工艺把,光纤端面,制作成一定大小和形状的,微透镜,，直接对向大功率半导体激光器的发光面，使半导体激光器的光束高效耦合进光纤中。常用的光纤微透镜形式有半球形、圆锥形、锥端球面形、椭双曲面形、楔形等。,特点：光纤微透镜的尺寸不大于光纤直径，相比分立微光学元件构成的光学耦合系统，光纤微透镜直接耦合有着,灵活方便,，,易于集成封装,，,制作效率高等,优点。,广泛应用于光纤与光源、放大器、,DWDM,模块、泵浦光源等耦合中。,（2） 光纤微透镜直接耦合 采用一定加工工艺把光纤端面制作成,典型的透镜光纤耦合系统,典型的透镜光纤耦合系统,透镜光纤的加工方法,（,a,）蚀刻法,（,b,）熔拉法,（,c,）研磨抛光法,（,d,）激光切削法,透镜光纤的加工方法 （a）蚀刻法 （b）熔拉法 （c）研磨抛,研磨法加工的光纤微透镜实例,研磨法加工的光纤微透镜实例,6.1.2,间接耦合,由分立微光学元件构成的光学耦合系统：,球透镜,柱透镜,自聚焦透镜,双曲面透镜,组合透镜,特点是可以最大限度地降低反射损耗、消除像差的影响、改善光束非圆对称性，实现高效率的耦合。,6.1.2 间接耦合由分立微光学元件构成的光学耦合系统：,（,1,）微柱透镜的光纤耦合,利用圆柱微透镜对半导体激光器光束进行准直或聚焦提高光纤耦合效率,通常采用一段大数值孔径的光纤代替圆柱微透镜，制作简单、成本低廉。,利用圆柱透镜光纤耦合原理示意图,（1）微柱透镜的光纤耦合 利用圆柱微透镜对半导体激光器光束进,（,2,）自聚焦透镜光纤耦合,自聚焦透镜,Grin Lens,：又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。具有聚焦和成像功能,利用自聚焦透镜光纤耦合原理示意图,（2）自聚焦透镜光纤耦合自聚焦透镜Grin Lens：又称为,（,3,）双曲面微透镜的光纤耦合,为了提高耦合效率不仅需要对,LD,输出光束快轴方向进行聚焦准直，有时还需要对慢轴方向准直聚焦。,一种具有双曲率半径结构的微透镜，可对半导体激光器输出光束的快轴和慢轴同时聚焦，并与多模光纤耦合。,双曲面透镜结构示意图,（3）双曲面微透镜的光纤耦合 为了提高耦合效率不仅需要对LD,双曲面透镜耦合原理,双曲面透镜耦合原理,（,4,）组合透镜光纤耦合,利用组合透镜光纤耦合示意图,（4）组合透镜光纤耦合利用组合透镜光纤耦合示意图,各种耦合方法的比较,自聚焦透镜和圆柱透镜结构最简单、调整方便，但耦合效率相对比较低；,组合透镜方法效率比较高，但结构复杂，调整比较困难。,双曲面透镜法，结构简单调整方便，耦合效率高。其缺点是双曲面透镜制作比较困难，成本高。,各种耦合方法的比较自聚焦透镜和圆柱透镜结构最简单、调整方便，,6.2,多光束光纤耦合技术,将多个激光二极管或激光二极管阵列的输出光束耦合进光纤中多光束耦合技术。,基于激光二极管列阵的多光束耦合技术,基于多只单管串联的多光束耦合技术,6.2 多光束光纤耦合技术将多个激光二极管或激光二极管阵列的,6.2.1,基于激光二极管列阵的多光束耦合,由于激光二极管列阵上的发光单元本身发光区几何尺寸的不对称，并且在平行,pn,结方向上集成了数十个发光单元，激光二极管列阵的输出光束在垂直,pn,结方向,(,快轴方向,),的光束质量因子和平行,pn,结方向,(,慢轴方向,),的光束质量因子相差很大。因此，必须采用,光束整形,技术对光束进行对称化处理。,光纤列阵耦合方法,微光学系统耦合方法,6.2.1 基于激光二极管列阵的多光束耦合由于激光二极管列,（,1,）光纤列阵耦合方法,光纤列阵耦合方法是通过微光学系统将激光器列阵各发光单元与数目相同的光纤列阵一一对准、耦合，在光纤另一端集束输出。,（1）光纤列阵耦合方法 光纤列阵耦合方法是通过微光学系统将激,特 点,光纤列阵耦合方式中，光纤列阵需要精密排列，排列周期应等于激光二极管列阵的单元周期，因此需要加工特殊设计的精密,V,形槽或,U,形槽列阵，用以排列固定光纤列阵。,优点：耦合光纤系统相对简单，成本低。,缺点：光纤束直径较大，功率密度较低。,特 点光纤列阵耦合方式中，光纤列阵需要精密排列，排列周期应,（,2,）微光学系统耦合方法,微光学系统耦合方法是通过微光学系统,(,微透镜、微棱镜列阵等,),对光束进行整形、变换，再通过非球面透镜聚焦耦合到单根光纤中。,（2）微光学系统耦合方法 微光学系统耦合方法是通过微光学系统,常用耦合方法,微透镜阵列耦合,微棱镜列阵耦合,阶梯式微型反射镜耦合,常用耦合方法 微透镜阵列耦合,光纤耦合微透镜光学组件,德国,LIMO,公司生产的,BTS,和,HOC,透镜组,BTS,结构示意图,光纤耦合微透镜光学组件德国LIMO公司生产的BTS和HOC透,微棱镜列阵耦合,微棱镜列阵耦合,阶梯式微型反射镜耦合,阶梯式微型反射镜耦合,特 点,这些方法通过微透镜、微棱镜列阵等，对光束进行整形、变换，将列阵器件中各发光单元的输出光束变换为平行光束，再通过非球面透镜聚焦耦合到单根光纤中。,然而，像微棱镜、微阶梯平面镜等光学系统的调试都比较复杂，实际应用比较困难。,特 点这些方法通过微透镜、微棱镜列阵等，对光束进行整形、变,高功率光纤耦合模块,高功率光纤耦合模块,6.2.2,基于多只单管串联的多光束耦合技术,采用多光束耦合技术的另一条技术途径就是利用多只单管芯器件串联，通过光学系统将多路光束合束并耦合到单根纤中输出。采用这种方法输出光纤芯径，亮度高，光束质量好。,由于采用串联工作的方式，因此工作电流比较小（一般几个安培），供电和散热比较容易，通过小型化设计的光纤耦合模块适合应用于特殊环境下的野外工作，特别是在激光驾束制导，激光夜视等军事应用领域具有广阔的应用前景 。,6.2.2 基于多只单管串联的多光束耦合技术采用多光束耦合技,多光束合束方式,从理论上讲，所有的非相干多光束合束，根据所遵循的基本物理原则主要有三种方式：,空间合束,偏振合束,波长合束,多光束合束方式从理论上讲，所有的非相干多光束合束，根据所遵循,半导体激光器多束合成示意图,半导体激光器多束合成示意图,三、大功率半导体激光器研究进展,半导体激光器特点：体积小、寿命长、高效率。,应用领域：工业、军事、医疗、通讯,大功率半导体激光器技术取得的突破：,超高峰值功率,超高电光效率,低发散角,高亮度,高特征温度,窄谱线宽度,高可靠性,波长稳定,基横模工作等,成熟的半导体材料外延技术,波导结构的优化,腔面钝化技术,高效的冷却和封装技术,三、大功率半导体激光器研究进展半导体激光器特点：体积小、寿命,国内外现状,美国掌握核心技术，德国拥有应用市场。,美国：,Coherent,，,IMC,，,SDL,，,HPD,，,Spectrum-Physics,德国：,OSRAM,，,JOLD,，,Frauhorf,法国：,THALES,日本：,SANYO,，,SONY,俄国：,ATC,波长：,630nm-1550nm,功率：,1W-10KW,国内核心技术比较落后，应用领域发展迅速,北半、长春光机所、长春理工大学、电子,13,所、北工大等,国内外现状美国掌握核心技术，德国拥有应用市场。,1,、激光二极管芯片技术,应变量子阱结构被广泛采用，降低器件的阈值电流密度和扩展,GaAs,基材料系的波长覆盖范围，,采用无铝有源区提高端面光学灾变损伤光功率密度,宽波导大光腔结构。增加输出功率，光束发散角，改善器件的光束质量。,采用非对称波导结构减小器件的光损耗提高电光转换效率。,高质量、低缺陷外延技术，增加腔长，提高输出功率。,腔面钝化技术,介质膜钝化技术,非吸收窗口技术,真空解理技术,1、激光二极管芯片技术应变量子阱结构被广泛采用，降低器件的阈,2,、远场发散角控制技术,对于半导体激光器，以激光光束的光参数乘积（,BPP,）作为光束质量的衡量指标,快轴发散角,大光腔、低限制因子的方法获得低发散角。实用化器件,3050,慢轴发散角,器件结构，驱动电流密度与热效应共同影响慢轴发散角，长腔长单元器件的慢轴发散角最易控制。慢轴发散角（,95%,能量范围）由原来的,10 ,12 ,降低到,7 ,左右。,2、远场发散角控制技术对于半导体激光器，以激光光束的光参数乘,3,、高温特性,部分能量转换成“废热”，使节温升高,阈值升高,斜效率下降,转换效率降低,量子阱增益下降，载流子泄漏和俄歇复合增加,为了保持输出功率不变，加大驱动电流,产生更多的“废热”，节温进一步上升,3、高温特性部分能量转换成“废热”，使节温升高阈值升高量子阱,The Lasertel Company has presented the development of high-temperature 8xx-nm diode laser bars for diode laser long-pulse (10 milliseconds) pumping within a high-temperature (130 C)environment without any cooling.( Fan et al., 2011),The Lasertel Company has prese,4,、标准,Bar,条阵列发展现状,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,Bar,的腔长由原来的,0.6,1.0 mm,增大到,2.0,5.0mm,，使得,Bar,输出功率大幅度提高。,2008,年初，美国光谱物理公司。,5 mm,腔长，填充因子为,83%,双面微通道热沉冷却，当前实验室最高,Bar,连续功率输出水平。,808 nm,，,800 W/bar,940 nm,，,1010W/bar,980 nm,，,950 W/bar,德国的,JENOPTIK,公司、瑞士的,Oclaro,公司等也相续制备获得千瓦级半导体激光阵列,，在现有技术条件下制备获得,1.5kW/bar,阵列器件已不成问题。,4、标准Bar条阵列发展现状伴随着高质量、低缺陷半导体材料外,制约因素,低压大电流恒流电源的高成本问题：在工程运用中，数伏电压数百安电流的组合会产生众多实际问题,微通道热沉散热寿命短的问题,新型高效散热技术如相变冷却、喷雾冷却以及微热管技术由于其性能特点、成本以及结构兼容性问题在短期内难以真正实用于,Bar,散热领域。,不再一味追求提高,Bar,的输出功率，逐渐将发展重点转移到大功率、高光束质量的半导体激光,单元器件,和,短阵列器件,研制。,制约因素低压大电流恒流电源的高成本问题：在工程运用中，数伏电,5,、单元器件发展现状,半导体激光单元器件具有独立的电、热工作环境，避免了发光单元之间的热串扰，使其在寿命、光束质量方面具有明显优势。,驱动电流低：降低了对驱动电源的要求,发热量相对较低：传导热沉散热，提高可靠性。,IPG,、,JDSU,公司等,90100 m,条宽单管器件,9XX nm,波段，连续输出,2025 W/emitter,；,8XX nm,波段，连续输出,12W/emitter,。,寿命大于,10,万小时。,5、单元器件发展现状半导体激光单元器件具有独立的电、热工作环,6,、短阵列器件发展现状,短阵列器件（,mini-bar,）是在同一芯片衬底上集成数个单元器件而获得，它实际是,Bar,与单元器件在结构上的折衷优化。,2009,年，德国,Osram,与,DILAS,公司合作，利用,5,个,100 m,条宽、,4 mm,腔长,980 nm,发光单元的短阵列器件,(,填充因子,10%),，,CW,功率大于,80W,，转换效率高于,60%,，发光单元功率,16W/emitter,。,寿命与单元器件相当。,6、短阵列器件发展现状短阵列器件（mini-bar）是在同一,7,、高亮度光纤耦合模块,半导体激光器件功率的增大与发散角的降低促进了大功率半导体激光器光束质量的迅速提高，直接体现在光纤耦合输出半导体激光模块尾纤直径的减小以及出纤功率的不断增大。,根据其内部采用的半导体激光器件类型及其封装形式不同可分为以下几种具体形式,半导体激光单元器件集成光纤耦合输出,半导体激光短阵列器件集成光纤耦合输出,微通道热沉封装结构半导体激光阵列堆光纤耦合输出,传导热沉封装半导体激光阵列光纤耦合输出,7、高亮度光纤耦合模块半导体激光器件功率的增大与发散角的降低,7.1,半导体激光单元器件集成光纤耦合输出,单管半导体激光器件直接耦合进入光纤,体积小、成本低、寿命长、技术成熟。,810W/module,利用多个单元器件，合束，聚焦耦合进光纤,2009,年，美国,Nlight,，,14,个单元器件，,NA=0.15,，,105m,芯径光纤，输出,100 W,，耦合效率,71%,。,7.1 半导体激光单元器件集成光纤耦合输出单管半导体激光器件,7.2,短阵列器件集成光纤耦合输出,利用多个短阵列器件，在快轴方向上紧密排列，经偏振合束，聚焦耦合进光纤。,2007,年，德国,DILAS,公司，,NA=0.22,，,200 m,芯径光纤，输出,500 W,，耦合效率,83%,。,多个短阵列器件集成光纤耦合输出模块结构,7.2 短阵列器件集成光纤耦合输出利用多个短阵列器件，在快,7.3,微通道热沉封装半导体激光阵列堆光纤耦合,微通道热沉封装结构的半导体激光阵列堆经快、慢轴准直，空间集成，快慢轴光束均匀化，然后聚焦耦合进入光纤,NA=0.22,，,200m,芯径光纤单模块输出,400W,亮度较高，光学元件少，结构简单，但成本较高，使用维护要求高，寿命较短,7.3 微通道热沉封装半导体激光阵列堆光纤耦合微通道热沉封装,7.5,传导热沉封装半导体激光阵列光纤耦合,多个传导热沉封装结构半导体激光阵列输出光束经快、慢轴准直后空间集成后直接通过聚焦耦合系统进入光纤。,德国,DILAS,公司，,NA=0.22,，,200 m,芯径光纤，输出,200 W,；,400m,芯径光纤，输出,500 W,，耦合效率约为,80%,。,光学元件少、结构简单、寿命较长、免维护、成本低等。,7.5 传导热沉封装半导体激光阵列光纤耦合多个传导热沉封装结,在直接工业应用的高功率高光束质量半导体激光器方面，通过波长合束技术与偏振合束技术，在输出光束质量不变的情况下，根据合束波长的个数而倍增输出功率。,德国的,Laserline,公司技术较为领先，采用微通道封装,Bar Stack,集成获得从数百瓦至万瓦级高功率、高光束质量激光加工系统,:,2000 W (BPP:20 mmmrad),，,4000 W(BPP:30 mmmrad),，,10000 W (BPP:100 mmmrad),。,8,、高功率高光束质量半导体激光器,在直接工业应用的高功率高光束质量半导体激光器方面，通过波长合,大功率半导体激光器及其应用课件,四、半导体激光器的典型应用,主要应用领域,（,1,） 通信与光储存,（,2,）,材料加工,（,4,）,泵浦光源,（,5,）,激光医疗及美容,四、半导体激光器的典型应用主要应用领域,光通信,光纤通讯领域是半导体激光器应用的最大市场,1.3um,和,1.55um,的,InGaAsP/InP,半导体激光器是通讯用半导体激光器光源,0.98um,和,1.48um LD,是掺铒光纤放大器的泵浦源，掺铒光纤放大器可用作光发射机的功率放大、线路放大、无再生中继、接收机的前置放大等。,光通信光纤通讯领域是半导体激光器应用的最大市场,光信息存储,红光半导体激光器，目前最大的应用是光信息的存取。如用于,CD,、,VCD,、,DVD,读写光头、条形码扫描是目前最大的市场。,蓝、绿光波段的半导体激光器，,高容量信息存储,全彩色显示,对潜通信。,光信息存储红光半导体激光器，目前最大的应用是光信息的存取。如,材料加工,激光熔覆,对耐磨性及耐腐蚀性要求较高的金属零件进行表面热处理或局部熔覆，重要应用。,用于激光熔覆与表面热处理的半导体激光器,功率：,1,6kW,光束质量：,100,400mmmrad,光斑大小：,22mm,2,用半导体激光器光束进行熔覆与表面热处理的优势,电光效率高,材料吸收率高,使用维护费用低,光斑形状为矩形,光强分布均匀等。,广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、机械等工业领域。,材料加工激光熔覆,不同熔覆方法的比较,不同熔覆方法的比较,材料加工,半导体激光器在焊接领域的应用,汽车工业精密点焊,热传导焊接,管道的轴向焊接。,用于薄片金属焊接的半导体激光器，焊接材料的厚度为,0.1,2.5mm,功率为,300,3000W,，,光束质量为,40,150mmmrad,，,光斑大小为,0.4,1.5mm,，。,大功率半导体激光器焊接的优点,热量输入低，零件的扭曲变形小,可进行高速焊接，焊缝光滑美观,非常适合工业焊接的不同需要，它将逐渐取代传统的焊接方法。,材料加工半导体激光器在焊接领域的应用,泵浦光源,半导体激光器泵浦固体激光器,(DPSSL),是大功率半导体激光器应用最多的领域。作为泵浦光源，半导体激光器有着其它光源不可取代的优越性。,泵浦光源 半导体激光器泵浦固体激光器(DPSSL)是大功率半,激光医疗及美容,大功率半导体激光器在激光医疗中也具有很重要的应用，如激光手术刀、光能治疗、激光针灸、脱毛和除发。,激光医疗及美容大功率半导体激光器在激光医疗中也具有很重要的应,不同波长大功率半导体激光器应用,不同波长大功率半导体激光器应用,军事应用：,（,1,）激光雷达,（,2,）激光制导,（,3,）激光测距,（,4,）激光引信,军事应用：（1）激光雷达,激光雷达,激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。,具有极高的角分辨率、距离分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等,激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术,利用直接调制激光二极管技术的无扫描成像雷达具有极大地军事应用前景。,激光雷达激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。,激光制导,驾束制导：大功率半导体激光器可作为发射光源直接用于激光驾束制导导弹。经空间编码的激光光束直接指向目标，导弹的弹尾接收器接收激光束中的编码信号修正导弹的飞行轨迹直至击中目标。,激光半主动制导,激光主动制导,激光制导驾束制导：大功率半导体激光器可作为发射光源直接用于激,激光测距,采用直接调制的脉冲半导体激光器可用于激光测距，目前测距,1,公里的半导体激光测距机已经商品化，测距精度达几厘米。,激光测距采用直接调制的脉冲半导体激光器可用于激光测距，目前测,激光引信,半导体激光器是唯一能用于弹上引信的激光器，激光近炸引信可以准确地确定起爆点，使弹头适时起爆，激光发射装置与接收装置均置于弹的头部。,激光引信半导体激光器是唯一能用于弹上引信的激光器，激光近炸引,五、半导体激光器市场及发展,五、半导体激光器市场及发展,材料加工,用于电子行业和汽车工业等制造业的半导体激光器表现强劲，,2012,年的材料加工市场需求将会适度增长,材料加工用于电子行业和汽车工业等制造业的半导体激光器表现强劲,用于眼科和外科手术的激光器仍需求强劲，但美容设备激光器销量会衰退，总体呈上升趋势。,医疗,用于眼科和外科手术的激光器仍需求强劲，但美容设备激光器销量会,用于基础研究和军事方面的激光器仍然有适度增长，尤其在中红外对抗测距及激光雷达方面。,军事应用,用于基础研究和军事方面的激光器仍然有适度增长，尤其在中红外对,主干网和数据中心的光通信需求继续增大，尤其是40G到100G收发器、光纤到户和主动光缆。,在硬盘上使用激光器将容量提升一至两代。,通信与光储存,主干网和数据中心的光通信需求继续增大，尤其是40G到100G,新波长及其应用,405,440nm,（,GaN,）,目前其应用主要是低功率应用，如,405nm,波长在蓝光,DVD,中的应用。,输出功率几瓦的半导体激光器可用于以下领域：,丝网印刷中的环氧树脂固化,印刷与半导体行业中的光刻,掺镨（,Pr,）晶体和光纤的泵浦,新波长及其应用405 440nm（GaN）,630,690nm,该波段范围内的低功率产品通常用于指示器和,DVD,基于砷化镓（,GaAs,）晶体上的铟镓铝磷（,InGaAlP,）结构的半导体激光器巴条，能够实现高功率半导体激光器，其在,630nm,的输出功率可达几瓦，在,680nm,的输出功率最高约达,20W,。,这些波长可用于光动力治疗（,PDT,）、泵浦掺铬钇铝石榴石晶体固体激光器以产生超短脉冲、照明、全息以及显示等诸多领域。,630 690nm该波段范围内的低功率产品通常用于指,808,976nm,主要用于固体激光器材料的泵浦,除了泵浦固体激光器外，半导体激光器还能用于泵浦气体激光器，这也是一个重要的应用领域。,半导体激光器能够泵浦基于铷（泵浦波长,794.8nm,）或铯（泵浦波长,780nm,或,852nm,） 的碱性蒸汽激光器。,弹道导弹防御系统,808 976nm主要用于固体激光器材料的泵浦,1064nm,波长的半导体激光器可取代现有的,Nd,：,YAG,激光器。,1210nm,波长，其可用于激光辅助吸脂，这种技术就是所谓的破坏脂肪细胞，并且同时收紧皮肤。,1320,1380nm,（基于,InP,晶体）波段的半导体激光器已经可以用于医疗领域,1470nm,是半导体激光器的一个常见波长，其最初主要用于光通信领域，在医疗设备制造中用于白色聚合物的塑料焊接；飞机前方的湍流探测；泵浦掺铒晶体，实现,2m,范围的激光波长。,1064nm波长的半导体激光器可取代现有的Nd：YAG 激光,1550nm,和,1650nm,波长磷化铟（,InP,） 的半导体激光器。,主要用于照明用途或红外线干扰措施（,IRCM,）。,距离选通激光成像,1550nm 和1650nm波长磷化铟（InP） 的半导体激,总 结,国内，最近几年高功率、高光束质量大功率半导体激光器相关领域方面也取得了长足的进步，但是在半导体激光器的核心部件,半导体激光芯片的研制和生产方面，一直受外延生长技术、腔面钝化技术以及器件制作工艺水平的限制，国产半导体激光器件的功率、寿命方面较之国外先进水平尚有较大差距。,随着,LED,、多节,GaAs,太阳能电池、红外热成像器等技术的不断应用和发展，化合物半导体器件的外延技术和封装技术将不断成熟，大大促进半导体激光器件的国产化，从而推动半导体激光器这一高效、节能型激光器更广泛地运用于我国的工业、国防、科研等领域中。,总 结国内，最近几年高功率、高光束质量大功率半导体激光器相,