附3．光学与电子信息学院硕士研究生课程简介
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
半导体激光器原理 一、半导体激光器的特征 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。 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。 半导体激光器具有体积小、效率高等优点,广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。 二、半导体激光器的结构与工作原理 现以砷化镓:GaAs:激光器为例,介绍注入式同质结激光器的工作原理。 1〃注入式同质结激光器的振荡原理。由于半导体材料本身具有特殊晶体结构和电子结构,故形成激光的机理有其特殊性。 :1:半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时,晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带:对应较低能量:。与价带最近的高能带称导带,能带之间的空域称为禁带。当加外电场时,价带中电子跃迁到导带中去,在导带中可以自由运动而起导电作用。同时,价带中失掉一个电子,则相当于出现一个带正电的空穴,这种空穴在外电场的作用下,也能起导电作用。因此,价带中空穴和导带中的电子都有导电作用,统称为载流子。 :2:掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体,称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子,则在导带之下和价带之上形成了杂质能级,分别称为施主能级和受主能级:见图19,24:。
图19,24 有施主能级的半导体称为n型半导体;有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下,热能使n型半导体的大部分施主原子被离化,其中电子被激发到导带上,成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子,在价带中形成空穴。因此,n型半导体主要由导带中的电子导电;p型半导体主要由价带中的空穴导电。 半导体激光器中所用半导体材料,掺杂浓度较大,n型杂质原子数一般 为:2,5:×1018cm-1;p型为:1,3:×1019cm-1。 在一块半导体材料中,从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散,而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来,结构附近的n型区由于是施主而带正电,结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场,称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散:见图19,25:。 图19,25 :3:p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压,p 区接正极,n区接负极。显然,正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反,它削
第9卷第21期 2009年11月1671 1819(2009)21 6532 04 科学技术与工程 ScienceTechnologyandEngineering 2009 Sci Tech Engng 9 No 21 Nov.2009 Vol 通信技术 半导体激光器驱动电路设计 何成林 (中国空空导弹研究院,洛阳471009) 摘要半导体激光驱动电路是激光引信的重要组成部分。根据半导体激光器特点,指出设计驱动电路时应当注意的问题,并设计了一款低功耗、小体积的驱动电路。通过仿真和试验证明该电路能够满足设计需求,对类似电路设计有很好的借鉴作用。 关键词激光引信半导体激光器窄脉冲中图法分类号 TN242; 文献标志码 A 激光引信大部分采用主动探测式引信,主要由发射系统和接收系统组成。发射系统产生一定频率和能量的激光向弹轴周围辐射红外激光能量,而接收系统接收处理探测目标漫反射返回的激光信号,而后通过信号处理系统,最终给出满足最佳引爆输出信号。由此可见,激光引信的探测识别性能很大程度上取决于激光发射系统的总体性能,即发射激光脉冲质量。而光脉冲质量取决于激光器脉冲驱动电路的质量。因此,半导体激光器驱动电路设计是激光引信探测中十分重要的关键技术。 图1 驱动电路模型 放电,从而达到驱动激光器的目的。 由于激光引信为达到一定的探测性能,通常会要求激光脉冲脉宽窄,上升沿快,一般都是十几纳秒甚至几纳秒的时间。因此在选择开关器件时要求器件开关速度快。同时,由于激光器阈值电流、工作电流大 [1] 1 脉冲半导体激光器驱动电路模型分析 激光器驱动电路一般由时序产生电路、激励脉冲产生电路、开关器件和充电元件几个部分组成,如图1。 图1中,时序产生电路生成驱动所需时序信号,一般为周期信号。脉冲产生电路以时序信号为输入条件。根据其上升或下降沿生成能够打开开关器件的正激励脉冲或负激励脉冲。开关器件大体有三种选择:双极型高频大功率晶体管、晶体闸流管电路和场效应管。当激励脉冲到来时,开关器件导通,
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。
收稿日期:2003-03-18. 基金项目:教育部高等学校骨干教师资助计划项目(教技司2000962号)1 光电器件 大功率半导体激光器驱动器的研究与设计 邓 军,单江东,张 娜,田小建 (吉林大学电子科学与工程学院,吉林长春130023) 摘 要: 介绍了大功率半导体激光器恒流源的设计方法。该恒流源采用功率M OSFET 作电流控制元件,运用负反馈原理稳定输出电流。实际应用表明该恒流源对激光器安全可靠,输出电流 的短期稳定度达到1×10-5。 关键词: 半导体激光器;恒流源;驱动电路;功率M OSFET 中图分类号: T N245 文献标识码: A 文章编号: 1001-5868(2003)05-0319-02 R esearch and Design of H igh 2pow er Semiconductor Laser Diode Driver DE NGJun ,SH AN Jiang 2dong ,ZH ANG Na ,TI AN X iao 2jian (School of E lectronic Science and E ngineering ,Jilin U niversity ,Ch angchun 130023,CHN ) Abstract : The design of constant 2current supply power for a high 2power semiconductor laser diode is desribed.This constant 2current power supply uses a power M OSFET as the current control device ,and which uses the principle of negative feedback to adjust and stabilize the output current.The practical application indicates that the constant 2current power supply is safe and reliable to the laser diode ,with the short term stability of output current up to 1×10-5. K ey w ords : semiconductor laser diode ;constant 2current power supply ;drive circuit ;power M OSFET 1 引言 半导体激光器不仅具有一般激光器高单色性、 高相干性、高方向性和准直性的特点,还具有尺寸小、重量轻、低电压驱动、直接调制等优良特性,因而被越来越广泛地用于国防、科研、医疗、光通信等领域。然而,由于半导体激光器是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件,对于电冲击的承受能力很差,微小的电流将导致光功率输出的极大变化和器件参数(如激射波长,噪声性能,模式跳动)的变化,这些变化直接危及器件的安全使用,因而在实际应用中对驱动电源的性能和安全保护有着很高的要求[1]。我们在恒流源的设计过程中,着重考虑了对激光器进行安全有效的保护,如限流问题,防止浪涌冲击问题,延时软启动问题等[2]。 2 驱动器的系统组成与工作原理 恒流源的系统组成框图如图1所示,整体设计方案采用深度负反馈控制原理,直接提供驱动电流电平的有效控制,由此获得最低的电流偏差和最高的激光器输出稳定性[3] 。 图1 系统方框图 整个恒流源由电压基准电路、电压电流转换电路、保护电路、末级电路和显示电路组成。在这里,我们采用2.5V 的电压基准,该电压基准产生一个稳定的基准电压,并经过适当地放大后送入运放的 《半导体光电》2003年第24卷第5期邓 军等: 大功率半导体激光器驱动器的研究与设计
大功率半导体激光器的发展介绍 激光打标机、激光切割机、激光焊接机等等激光设备中激光器起着举足轻重的地位，在激光器的发展历程中，半导体激光器的发展尤为重要，材料加工用激光器主要要满足高功率和高光束质量，所以为了提高大功率半导体激光器的输出功率，可以将十几个或几十个单管激光器芯片集成封装、形成激光器巴条，将多个巴条堆叠起来可形成激光器二维叠阵，激光器叠阵的光功率可以达到千瓦级甚至更高。但是随着半导体激光器条数的增加，其光束质量将会下降。
另外，半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束质量不一致：快轴的光束质量接近衍射极限，而慢轴的光束质量却比较差，这使得半导体激光器在工业应用中受到了很大的限制。要实现高质量、宽范围的激光加工，激光器必须同时满足高功率和高光束质
量。因此，现在发达国家均将研究开发新型高功率、高光束质量的大功率半导体激光器作为一个重要研究方向，以满足要求更高激光功率密度的激光材料加工应用的需求。 大功率半导体激光器的关键技术包括半导体激光芯片外延生长技术、半导体激光芯片的封装和光学准直、激光光束整形技术和激光器集成技术。 （1）半导体激光芯片外延生长技术 大功率半导体激光器的发展与其外延芯片结构的研究设计紧密相关。近年来，美、德等国家在此方面投入巨大，并取得了重大进展，处于世界领先地位。首先，应变量子阱结构的采用，提高了大功率半导体激光器的光电性能，降低了器件的阈值电流密度，并扩展了GaAs基材料系的发射波长覆盖范围。其次，采用无铝有源区提高了激光芯片端面光学灾变损伤光功率密度，从而提高了器件的输出功率，并增加了器件的使用寿命。再者，采用宽波导大光腔结构增加了光束近场模式的尺寸，减小了输出光功率密度，从而增加了输出功率，并延长了器件寿命。目前，商品化的半导体激光芯片的电光转换效率已达到60%，实验室中的电光转换效率已超过70%，预计在不久的将来，半导体激光器芯片的电光转换效率能达到85%以上。 （2）半导体激光芯片的封装和光学准直 激光芯片的冷却和封装是制造大功率半导体激光器的重要环节，由于大功率半导体激光器的输出功率高、发光面积小，其工作时产生的热量密度很高，这对芯片的封装结构和工艺提出了更高要求。目前，国际上多采用铜热沉、主动冷却方式、硬钎焊技术来实现大功率半导体激光器阵列的封装，根据封装结构的不同，又可分为微通道热沉封装和传导热沉封装。
半导体激光器 半导体激光器又称激光二极管[1](LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。 A 小功率LD 用于信息技术领域的小功率LD发展极快。例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈(DFB)和动态单模LD、窄线宽可调谐DFB-LD、用于光盘等信息处理技术领域的可见光波长(如波长为670nm、650nm、630nm的红光到蓝绿光)LD、量子阱面发射激光器以及超短脉冲LD等都得到实质性发展。这些器件的发展特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐以及短波长化和光电单片集成化等。 B 高功率LD 1983年，波长800nm的单个LD输出功率已超过100mW，到了1989年，0.1 mm条宽的LD则达到3.7W的连续输出，而1cm线阵LD已达到76W输出，转换效率达39%。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵LD连续波输出功率达121W，转换效率为45%。现在，输出功率为120W、1500W、3kW等诸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列阵的迅速发展也为全固化激光器，亦即半导体激光泵浦(LDP)的固体激光器的迅猛发展提供了强有力的条件。 近年来，为适应EDFA和EDFL等需要，波长980nm的大功率LD也有很大发展。最近配合光纤Bragg光栅作选频滤波，大幅度改善其输出稳定性，泵浦效率也得到有效提高。 【特点及应用范围】半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，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以及获得了广泛的应用。 【半导体激光器的发展及应用】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，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。 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，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写
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
半导体激光器驱动电源的控制系统 使用单片机对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效地实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度。同时为激光器驱动电源性能的提高和扩展提供了有利条件。 1 总体结构框图 本系统原理，主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能，整个系统由单片机控制。本系统中选用了C8051F单片机。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，他在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，如本系统中用到的ADC和DAC。这些外设部件的高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，也大大降低了系统的成本。光功率及温度采样模拟信号经放大后由单片机内部A/D 转换为数字信号，进行运算处理，反馈控制信号经内部D/A转换后再分别送往激光器电流源电路和温控电路，形成光功率和温度的闭环控制。光功率设定从键盘输入，并由LED数码管显示激光功率和电流等数据。 2 半导体激光器电源控制系统设计 目前，凡是高精密的恒流源，大多数都使用了集成运算放大器。其基本原理是通过负反作用，使加到比较放大器两个输入端的电压相等，从而保持输出电流恒定。并且影响恒流源输出电流稳定性的因素可归纳为两部分：一是构成恒流源的内部因素，包括：基准电压、采样电阻、放大器增益(包括调整环节)、零点漂移和噪声电压;二是恒流源所处的外部因素，包括：输入电源电压、负载电阻和环境温度的变化。 2.1 慢启动电路 半导体激光器往往会因为接在同一电网上的多种电器的突然开启或者关闭而受到损坏，这主要是由于开关的闭合和开启的瞬间会产生一个很大的冲击电流，就是该电流致使半导体激光器损坏，介于这种情况，必须加以克服。因此，驱动电源的输入应该设计成慢启动电路，以防损坏，：左边输入端接稳压后的直流电压，右边为输出端。整个电路的结构可看作是在射级输出器上添加了两个Ⅱ型滤波网络，分别由L1，C1，C2和L2，C6，C7组成。电容C5构成的C型滤波网络及一个时间延迟网络。慢启动输入电压V在开关和闭合的瞬间产生大量的高频成分，经过图中的两个Ⅱ型网络滤出大部分的高频分量，直流以及低频分量则可以顺利地经过。到达电阻R和C组成的时间延迟网络，C2和C4并联是为了减少电解电容对高频分量的电感效应。 2.2 恒流源电路的设计 为了使半导体激光器稳定工作，对流过激光器的电流要求非常严格，供电电路必须是低噪声的稳定恒流源驱动，具体电路。 使用单片机对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效地实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度。同时为激光器驱动电源性能的提高和扩展提供了有利条件。 1 总体结构框图 本系统原理，主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能，整个系统由单片机控制。本系统中选用了C8051F单片机。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，他在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，如本系统中用到的ADC和DAC。
半导体激光器 摘要：由于三五族化合物工艺的发展与半导体激光器的多种优点，近几十年来，半导体激光器发展十分迅速，而且在各个领域发挥着越来越重要的作用。本文将介绍半导体激光器的基本理论原理、相关发展历程、研究现状以及其广泛的应用。 1.引言 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[1], 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[2]。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(LPE)、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[3]。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、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。 2.半导体激光器的基本理论原理 半导体激光器又称激光二极管(LD)。它的实现并不是只是一个研究工作者的或小组的功劳，事实上，半导体激光器的基本理论也是一大批科研人员共同智慧的结晶。 早在1953年，美国的冯·纽曼（John Von Neumann）在一篇未发表的手稿中第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性；认为可以通过向PN结中注入少数载流子来实现受激发射；计算了在两个布里渊区之间的跃迁速率。巴丁在总结了这个理论后认为，通过各种方法扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高。这应该说是激光器的最早概念。 苏联的巴索夫等对半导体激光器做出了杰出贡献，他在1958年提出了在半导体中实现粒子数反转的理论研究，并在1961年提出将载流子注入半导体PN结中实现“注入激光器”，并论证了在高度简并的PN结中实现粒子数反转的可能性，而且认为有源区周围高密度的多数载流子造成有源区边界两边的折射率有一差值，因而产生光波导效应。1961年，伯纳德和杜拉福格利用准费米能级的概念推导出了半导体有源介质中实现粒子数反转的条件，这一条件为次年半导体激光器的研制成功提供了重要理论指导。 1960年，贝尔实验室的布莱和汤姆逊提出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔，为激发光提供反馈。 回顾这些理论发展历程，可以总结半导体激光器的基本理论原理：在直接带隙半导体PN结中，用注入载流子的方法实现伯纳德—杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空位复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内震荡并得到放大，最后产生相干激光输出[4]。 3.半导体激光器发展历程 在上述理论的影响下，以及1960年产生的红宝石激光器的刺激下，美国和苏
查阅相关文献资料，设计半导体激光器驱动电路，说明设计思路和电路模块的功能 图1 在半导体激光器的设计中，为了便于对光功率进行自动控制，通常激光器内部是将LD 和背向光检测器PD集成在一起的，见图1。其中LD有两个输出面，主光输出面输出的光供用户使用，次光输出面输出的光被光电二极管PD接收，所产生的电流用于监控LD的工作状态。背光检测器对LD的功率具有可探测性，可设计适当的外围电路完成对LD的自动光功率控制。激光器电路的设计框图如图所示，将电源加在一个恒压电路上，得到恒定的电压，再通过一个恒流电路得到恒定的电流以驱动LD工作. 其中恒压电路如图2，由器件XC9226以及一个电感和两个电容组成。XC9226是同步整流型降压DC/DC转换器，工作时的消耗电流为15mA，典型工作效率高达92%，只需单个线圈和两个外部连接电容即可实现稳定的电源和高达500IllA的输出电流。其输出纹波为10mV，固定输出电压在0.9v到4.0V范围内，以loomv的步阶内部编程设定。该电路中，输出的恒定电压设定为2.6v。 图2 恒流电路如图3，主要由LMV358、三极管以及一些电阻和电容共同组成.LMv358是一个低电压低功耗满幅度输出的低电压运放，工作电压在2.7v到5.5v之间。从恒压电路输出的2.6V电压经过Rl、RZ分压后，在LMv35s的同相输入端得到恒定电压Up，Up加在一个电压串联负反馈电路上，得到一个输出电压Uo。Uo再通过一个电阻和电容组成的LR滤波
电路上，得到恒定的直流电压uol，将uol作用在由三极管8050组成的共射级放大电路上，得到恒定的集电极电流Ic，k又通过一个滤波电容得到恒定的直流工作电压。 图3
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。
半导体激光器LD脉冲驱动电路的设计与实验 进行脉冲驱动电路的设计主要是由于，半导体激光器在脉冲驱动电路驱动时，其结温会在半导体激光器不工作的时刻进行散热，因此半导体激光器在脉冲电源驱动下，对半导体激光器的散热要求不高。在设计半导体激光器的脉冲驱动电源时，也是先仿真后设计的思想，在电路选型上也是力求简单。 1 脉冲电源的仿真 在进行脉冲电源仿真时，同样选用的NI公司的这款Multisim10这款电路仿真软件。选用的器件是IRF530，信号源是5V，占款比为50%，频率为50Hz的方波信号源；用电阻1R代替半导体激光器、且将1R的阻值设置为1Ω，用Multisim10的自带示波器对电阻1R两端的电信号进行测量。 脉冲电源仿真 在仿真电路设计的过程中，选用了功率管IRF530作为主开关，对电阻1R上的电压进行采样，信号源选取的是输出5V方波的、频率是50Hz、占款比是50%的信号源。在进行仿真前、将示波器的A通道接在电阻1R的两端，对整个电路的电流信号进行监测。将示波器的B通道接在信号源的两端，对信号源的输出
电信号进行采样，这样通过A、B两通道的电信号进行对比，看脉冲驱动电路能否满设计要求。 根据仿真示波器监测到的数据显示，电阻1R两端的电信号完全是跟信号源的电信号同步变化的，而且波形完全一致。仿真结果显示电阻1R的峰值电压是为1.145V，说明电路的峰值电流也是1.145A。 在仿真过程中，通过不断的调整信号源的特性，发现电阻1R两端的电压值的大小只与信号源的电压值大小有关系，而与信号源的频率和占空比关系不大，这说明此脉冲仿真电路输出电流值的大小只与信号源输出的电压值大小有关。出现这样的结果主要是选取的信号源的频率过低，功率管IRF530完全可以做到对电路的开断控制。 以上仿真结果显示，当信号源的峰值电压是5V的时候，所对应的流过IRF530的峰值电流是1.145A。根据IRF530的输出特性，通过调节信号源的加载在IRF530GS V的电压就可以改变功率管IRF530的输出电流值，从而改变整个脉冲电源输出电流的值。 2 脉冲电源的设计 从上面的电路仿真可以看出，脉冲电源的设计主要是脉冲信号源的设计、电路的主体部分还是用IRF530来实现的，通过控制信号源的加载在GS V的电压来控制流通IRF530的电流。要调整输出电流信号的频率得通过信号源进行控制。 图 3-25 基于单片机脉冲电源
直接半导体激光器 Direct Diode Laser System 锐科公司研制的RFL-DDL系列直接半导体激光器，具有电光转换效率高、调制频率宽、可靠性高、寿命长、运行免维护、结构紧凑等优点，可广泛应用于钎焊、塑料焊接、熔覆、表面热处理等领域。在熔覆应用中，锐科直接半导体激光器相对传统激光器的加工效率明显提高。此系列直接半导体激光器产品基于单管半导体芯片封装及大功率合束器技术，完全由锐科公司自主研制生产，电光转换效率接近50%，具有良好的兼容性，性价比高。 Raycus' RFL-DDL direct diode laser series feature high electrical-optical conversion efficiency, wide modulation frequency range, compact design, excellent long-term reliability and maintenance free stable operation. They can be used in brazing, plastic welding, cladding and surface heat treatment. RFL-DDL laser series have been proved with significant high efficiency in cladding applications compared with traditional lasers. Based on in-house single-emitter diode packaging and high power combiner technologies, Raycus can provide customized products for some specific requirements. 特点：Features 极高的电光转换效率Near 50% efficiency QBH输出光纤QBH beam delivery cable 免维护稳定运行maintenance free stable operation 连续/调制模式CW/Modulated mode 应用：Applications 塑料焊接Plastic welding 熔覆Cladding 热处理Heat treatment 钎焊Brazing
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