半导体激光器工作原理及应用

半导体激光器工作原理及应用  

   随着产品种类不断丰富，半导体激光器在激光加工、3D打印、军事、医疗、生命科学等领域得到了大量应用。另外，随着半导体耦合技术的提升，半导体激光器在切割、焊接、淬火、熔覆等领域也得到了广泛应用。半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。半导体激光器以半导体材料为增益介质，在各类激光器中拥有最佳的能量转化效率，同时还具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、能耗低等优点，因此被广泛应用于激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等多个领域。

  半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。半导体激光器以半导体材料为增益介质，在各类激光器中拥有最佳的能量转化效率，同时还具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、能耗低等优点，因此被广泛应用于激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等多个领域。

半导体激光器原理

  半导体激光器常用工作物质有砷化镓、硫化镉等，激励方式有电注入、电子束激励和光抽运三种方式。

 半导体激光器主要优点是体积小、效率高、能耗低，例如半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面已经获得了广泛的应用。此外，通常使用半导体激光器作为光纤激光器抽运源。

  以电注入式半导体激光器为例，半导体材料中通常会添加GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制作成半导体面结型二极管，当对二极管注入足够大的电流后，中间有源区中电子（带负电）与空穴（带正电）会自发复合并将多余的能量以光子的形式释放，再经过谐振腔多次反射放大后形成激光。

半导体激光器特性

  半导体激光器是以半导体材料为工作物质的一类激光器件。它诞生于1962年，除了具有激光器的共同特点外，还具有以下优点：

（1） 体积小，重量轻；

（2） 驱动功率和电流较低；

（3） 效率高、工作寿命长；

（4） 可直接电调制；

（5） 易于与各种光电子器件实现光电子集成；

（6） 与半导体制造技术兼容；可大批量生产。

  由于这些特点，半导体激光器自问世以来得到了世界各国的广泛关注与研究。成为世界上发展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化且产值最大的一类激光器。

在光电子领域的应用

(1)光纤通信。半导体激光器是光纤通信系统的唯一实用化光源，光纤通信已成为当代通信技术的主流。

(2)光盘存取。半导体激光已经用于光盘存储器，其最大优点是存储的声音、文字和图像信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘的存储密。

(3)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。在工业上可用来监测气相淀积的工艺过程。 

(4)光信息处理。半导体激光器已经用于光信息系统。表面发射半导体激光器二维阵列是光并行处理系统的理想光源，将用于计算机和光神经网络。5)激光微细工。借助于Q开关半导体激光器产生的高能量超短光冲，可对集成电路进行切割、打孔等。

(5)激光报警器。半导体激光报警器用途甚广，包括防盗报警、水位报警、车距报警等。

(6)激光打印机。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。

(7)激光条码扫描器。半导体激光条码扫描器已经广泛用于商品的销售，以及图书和档案的管理。

(8)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%。

在材料加工上的应用

半导体激光器在材料加工上多用于材料的切割和电路板的加工。由于激光器的高稳定性和高效能，从而使得其可以轻易的对工业材料进行精确的切割，并且在高频电路板的加工上，低波长的紫外激光也有不错的应用。

(1)光纤激光器和固体激光器的泵浦源

目前，半导体激光器的最大应用是作为光纤激光器和固体激光器的泵浦源。作为光纤激光器泵源的半导体激光器，提高单元功率能够从根本上简化泵浦系统的结构或提高泵浦功率水平。随着光纤激光器和固体激光器输出功率越来越高，对半导体泵浦源的功率也提出了更高的要求。

(2)金属切割

由于光束质量的限制，传统半导体激光器难以直接用于金属切割。近年来，随着半导体耦合技术的提高以及新型合束技术的逐渐成熟，部分千瓦级以上的光纤输出的半导体激光器可以满足切割对光束质量的要求。另外，由于半导体激光器波长的多样性，短波长的半导体激光器的波长十分接近铝的波长吸收最大值，在汽车工业中，大功率半导体激光非常适用于车身的铝材的焊接。激光输出功率为2KW至6KW的半导体激光器在汽车工业生产过程中已广泛应用。

(3)塑料焊接

使用中小功率的半导体激光器的激光焊接完善了热塑性塑料焊接的传统方法，例如，通过超声波焊接的方式，可使连接区域在压紧前直接塑化。激光可以实现光穿透式的激光焊接，在连接区域形成均匀的熔体，避免因摩擦产生的起毛现象。半导体激光塑料焊接广泛使用于汽车行业的传感器或塑料箱体的密封焊接，也可应用于木制产品包边或者加工纤维强化的合成材料。

(4)激光熔覆

激光熔覆又称为激光包覆或激光熔敷，是一种表面改性技术，通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。半导体激光器可用于熔覆工艺，实现减少粉末与集体材料的混合以及更少的热量输入，进一步提高熔覆工艺的经济效益。

(5)激光锡焊

锡焊是利用低熔点的金属焊料加热熔化后，渗入并充填金属件连接处间隙的焊接方法，焊料常为锡基合金。目前，输出功率为100W的半导体激光器已在锡焊中的推广应用。随着半导体激光器价格的进一步降低、人工成本的不断提高及智能制造、精密制造的推进，预计激光锡焊未来将逐步替换传统的烙铁焊接，得到广泛的应用。

在军事上的应用

  小功率的半导体激光器由于自身体积小，寿命长且易于调制的特点，被广泛应用于激光制导和激光测距等领域。简单易行，并且取得了不错的效果。现在大功率半导体激光器的发展，也使其与军事领域大放异彩，激光雷达和激光模拟以及深海光通信，都得到了极大的发展。

  半导体激光器在军事上的应用主要包括：高能激光武器泵源，大功率半导体激光器合束直接应用;激光制导，使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标，半导体激光制导多用于地-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，用于监测目标，对来袭目标精确定位以及对直升飞机和巡航导弹的地形跟踪等。制导和测距等应用以大功率脉冲半导体激光器为主，波长集中在904nm波长附近，近年来基于人眼安全考虑，有向长波长发展的。