最新半导体激光器材料的研究进展-第八组幻灯片.ppt

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1、进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着“怎么这么热”，于是三五成群，聚在大树下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到“强子，别跑了，快来我给你扇扇”。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，“你看热的，跑什么？”此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇

2、是中国传统工艺品，在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧道，袅半导体激光器材料的研究进展半导体激光器材料的研究进展n一、半导体激光器的发展历史一、半导体激光器的发展历史n二、半导体激光器的工作原理二、半导体激光器的工作原理n三、半导体激光器的制作工艺三、半导体激光器的制作工艺n四

3、、半导体激光器的应用现状四、半导体激光器的应用现状n五、半导体激光器材料的发展前景五、半导体激光器材料的发展前景一、半导体激光器的发展历史一、半导体激光器的发展历史n在20世纪80年代后期，人们又提出了应变量子阱激光器的结构，其阀值电流密度可降至约65A/cm2。n1994年，贝尔实验室报道了只有电子参加的基于子带跃迁和共振隧道机理上的量子级联激光器，突破了二极管激光器材料体系对发射波长的限制，将发射波长推至4um-17um中远红外波段。AlGalnP体系为可见波段红光波段。n1996年日本成功地研制出GaN基半导体量子阱激光器，将半导体激光器的发光波段推向了紫外至蓝紫波段。一、半导体激光器的

4、发展历史一、半导体激光器的发展历史 这些成果证明了量子阱激光器的特性远远优于双异质结激光器，奠定了量子阱激光器在半导体激光器领域的主导地位，同时推动了整个光电子产业的迅猛发展。 随着能带工程理论的运用，晶体外延材料生长工艺以及半导体制作工艺的不断发展和成熟，以及应用领域的不断拓宽，新材料、新波段和新结构的半导体激光器不断涌现，如应变量子阱激光器、分布反馈激光器、垂直腔面发射激光器、外腔激光器、量子阱级联激光器、量子点激光器、微腔激光器、光子晶体激光器、宽带隙 GaN 基半导体激光器等。一、半导体激光器的发展历史一、半导体激光器的发展历史 纵观半导体激光器近五十年的发展历史，结构从同质结发展到量

5、子阱，波长从 GaAs 基的红光发射到 GaN 基的蓝紫光发射已几乎涵盖全波段，连续输出功率可达上万瓦，寿命可长达上百万小时。新世纪以来，半导体激光器应用上的需求对其各方面性能提出了更高的标准，如何实现半导体激光器的大功率、高亮度和高可靠性已成为进一步发展LD技术产业和拓宽市场应用面临的三个关键问题。 如今半导体激光器已经广泛应用于我们的生活、工业甚至国防，例如激光打标、激光手术刀、激光武器等。利用激光照射核燃料使之发生核聚变反应，这样激光还可以用于核反应的控制。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。半导体激光器材料的研究进展半导体激光器材料的研究进展一、半导体激光器的发

6、展历史一、半导体激光器的发展历史二、半导体激光器的工作原理二、半导体激光器的工作原理三、半导体激光器的制作工艺三、半导体激光器的制作工艺四、半导体激光器的应用现状四、半导体激光器的应用现状五、半导体激光器材料的发展前景五、半导体激光器材料的发展前景二、半导体激光器的工作原理二、半导体激光器的工作原理1、半导体的能带结构和电子状态、半导体的能带结构和电子状态2、非本征半导体材料非本征半导体材料p-n结结3、半导体激光器的结构组成、半导体激光器的结构组成4、激光产生原理、激光产生原理1、半导体的能带结构和电子状态、半导体的能带结构和电子状态n（1）能带概念能带概念 量子力学计算表明，固体中若有N个

7、原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级，变成了N条靠得很近的能级，称为能带能带。 由于N值通常很大(如:1023 /cm-3左右)分裂出的能级十分密集，形成一个能量上准连续的能带，称为允许能带，形成一个能量上准连续的能带，称为允许能带，简称允带简称允带。而由原子不同能级分裂成的允许能带之间则是禁戒能带，简称禁带。禁戒能带，简称禁带。1、半导体的能带结构和电子状态、半导体的能带结构和电子状态1满带（排满电子的允带）2价带（价电子能级分离后形成的能带，价电子能级分离后形成的能带，能带中一部分能级排满电子） 3. 导带 （允带有部分能级被电子填充允带有部分能级被电子填充）4空带

8、（完全未排电子的允带） 空带也是导带空带也是导带5禁带（不能排电子）1、半导体的能带结构和电子状态、半导体的能带结构和电子状态n能带能带的宽度记作E ，数量级为 EeV。若N1023,则能带中两能级的间距约10-23eV能带的特点：能带的特点：1. 越是外层电子，能带越宽，越是外层电子，能带越宽， E越大。越大。2. 点阵间距越小，能带越宽，点阵间距越小，能带越宽， E越大。越大。3. 两个能带有可能重叠。两个能带有可能重叠。1、半导体的能带结构和电子状态、半导体的能带结构和电子状态固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。电子的填充原则：n 服从泡利不相容原理服从泡利不相容原理n 服从

9、能量最小原理服从能量最小原理（2）半导体中的电子状态半导体中的电子状态 用量子力学确定孤立原子的电子能量和运动状态是通过求解薛定鄂方程实现的。然而，由于固体中所含原子数量极大，对每个电子求解薛定鄂方程是根本不可能，只能采取某种近似的方法:1、半导体的能带结构和电子状态、半导体的能带结构和电子状态n其相应的能量本征值为其相应的能量本征值为222eh kEVmnk为波数,me 为电子质量nV-所有其他电子对某一电子的相互作用视为叠加在原子实周期势场上的等效平均场,并用V(r)表示, 势场的周期为晶格常数a则动能为则动能为222keh kEm1、半导体的能带结构和电子状态、半导体的能带结构和电子状态

10、n在k足够小的范围内,可将Ek 展开为Maclaurin(麦克劳林)级数,且只保留前两项,得到22( )(0)2effh kE kEm其中,meff 称为电子的有效质量,与me 不同,meff 既可以取正值,也可以取负值。在k=0附近,E(k)仍按抛物线规律随k变化,抛物线的开口方向由meff 的符号决定。当 eff时，开口向上开口向上，相应的能带称为导带导带当 eff时，开口向下开口向下，相应的能带称为价带价带2 2( )(0),02ccceffceffhkE kEmm22( )(0),02vvveffveffh kE kEmm1、半导体的能带结构和电子状态、半导体的能带结构和电子状态n导带

11、底和价带顶对应着相同k值，即k=0点，导带底和价带顶的能量间距称为禁带宽度禁带宽度禁带宽度用Eg表示。n导带和价带的极值位于k空间同一点(但一般不要求是k=0点)的半导体称为直接禁带半导体直接禁带半导体n另有一类在电子学中非常重要的半导体材料,如Si和Ge等,导带底和价带顶不在k空间同一点,称为间接禁间接禁带半导体带半导体 2、非本征半导体材料非本征半导体材料p-n结结 本征半导体本征半导体：杂质、缺陷极少的纯净、完整的半导体。其中自由电子和空穴都很少。常用的是非本征半导体又叫掺杂半导体。P型半导体：通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn）N型半导体：通过掺杂使电子数目

12、大大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te）2、非本征半导体材料非本征半导体材料p-n结结GaAsVI0.003eVN在内掺入族元素，会在导带下面形成杂质能级。由于杂质能级与导带底的能量差很小，电子很容易跃迁到导带中去，同时在原来的能级上形成空穴。这种杂质称为施主杂质，相应的能级为施主能级，掺入施主杂质的半导体称为电子型半导体或 型半导体。2、非本征半导体材料非本征半导体材料p-n结结IIGaAsZneVP掺入 族元素，在价带上面形成受主能级，价带上的电子在热激发下，可以跃迁到受主能级上，同时在价带中形成空穴。中受主杂质的电离能为0.024，掺入受主杂质的半导体称为空穴型半导体或 型半导体。

13、2、非本征半导体材料非本征半导体材料p-n结结掺杂的净效果掺杂的净效果是在导带和价带中形成过剩的自由载流子。nP型半导体掺杂三价元素（杂质），载流子主要是空穴，而杂质称为受主nN型半导体掺杂五价元素（杂质），载流子主要是电子，而杂质称为施主np型半导体材料和n型半导体材料接触时形成p-n结。2、非本征半导体材料非本征半导体材料p-n结结2、非本征半导体材料非本征半导体材料p-n结结DDDnpVnpeVp-neV()()FNFPEE在空间电荷区内，形成内建电场，电场方向由 区指向 区。内建电场将阻止扩散过程继续发生，完全阻止时，系统达到平衡。在界面上出现了接触电位差，电子在由 区扩散到 区的过程

14、中，能量增加了，等于结两端费米能级能量差。在系统平衡后，费米能级为一直线。从左到右，电子填充水平不断增加；从右到左，空穴填充水平不断增加。 3、半导体激光器的结构组成半导体激光器的结构组成 半导体激光器半导体激光器是指以注入电流做为激励源，由半导体材料和光学谐振腔构成的激光自激励振荡器。 3、半导体激光器的结构组成半导体激光器的结构组成n（1）电流：电流作为激励源，注入电流的大小决定半导体激光器的输出功率。n（2）半导体材料：具有晶体结构的P型半导体N型半导体结合在一起形成PN结，在输入电流的激励下，实现粒子数反转分布，当受激辐射大于受激吸收时，就产生光的放大作用。半导体材料的种类决定输出激光

15、的波长，如AlGaINP/GaAs输出激光波长为610nm690nm，AlGaAs/GaAs输出激光波长为780nm800nm，InGaAs/GaAs输出激光波长为800nm1100nm等。 3、半导体激光器的结构组成半导体激光器的结构组成n（3）光学谐振腔：受激辐射光在光学谐振腔中来回反射，不断反馈振荡，当达到一定强度后，就输出激光。光学谐振腔和半导体材料的结构决定半导体激光器的性能和寿命。 4、激光产生原理激光产生原理n半导体激光器的工作原理简单概述是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，

16、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 。粒子数反转（光放大的必要条件）：仅当激发态的电子数大于基态中的电子数时，受激辐射超过吸收，要利用“泵浦（激励）”方法。电子与空穴复合，即电子由导带进入价带，多出的能量以光子的形式释放出来。4、激光产生原理、激光产生原理普朗克定律：基态到激发态的跃迁吸收一个光子，激发态到基态的跃迁发射一个光子，光子的能量为h=E2-E1。激光发射跃迁过程：吸收激发、自发辐射和受激辐射。吸收激发：E1基态的电子吸收光子能量，激发到高能态E2；自发发射：E2能态的电子处于不稳定状态，自发返回基态E1，自发发射一个光子（位相随机）。受激发射：E2能态的

17、电子处于不稳定状态，向下进入亚稳态，外来光子会激励电子向下跃迁到基态E1，受激发射一个光子（位相和频率相同）。4、激光产生原理、激光产生原理 4、激光产生原理、激光产生原理n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）形成分布反转：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

18、。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。4、激光产生原理、激光产生原理有源区在p-n结附近，导带中有价电子，价带中有空穴，这部分区域称为有源区。在此区域可以实现粒子数反转和光放大。(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以实现光量子放大，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Fp腔(法布里一珀罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与Pn结平面相垂直的自然解理面一110面构成FP腔。4、激光产生原理、激光产生原理4、激光产生原理、激光产生原理4

19、、激光产生原理、激光产生原理(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面的激光输出等引起的损耗，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阀值条件。当激光器达到阀值时，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。增益：在注入电流的作用下，激活区受激辐射不断增强。增益：在注入电流的作用下，激活区受激辐射不断增强。损耗：受激辐射在谐振腔中来回反射时的能量损耗。包括损耗：受激辐射在谐振腔中来回反射时的能量损耗。包括载流子吸收、缺陷散射及端面透射

20、损耗等。载流子吸收、缺陷散射及端面透射损耗等。阈值电流：增益等于损耗时的注入电流阈值电流：增益等于损耗时的注入电流。半导体激光器材料的研究进展半导体激光器材料的研究进展n一、半导体激光器的发展历史一、半导体激光器的发展历史n二、半导体激光器的工作原理二、半导体激光器的工作原理n三、半导体激光器的制作工艺三、半导体激光器的制作工艺n四、半导体激光器的应用现状四、半导体激光器的应用现状n五、半导体激光器材料的发展前景五、半导体激光器材料的发展前景三、半导体激光器的制作工艺三、半导体激光器的制作工艺n1、半导体激光器的工作特性、半导体激光器的工作特性 n2、半导体激光器制备流程、半导体激光器制备流程

21、n3、同质结半导体激光器、同质结半导体激光器n4、异质结半导体激光器、异质结半导体激光器n5、量子阱激光器、量子阱激光器1、半导体激光器的工作特性、半导体激光器的工作特性n（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：影响阈值的几个因素： 晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。 谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。 与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。结低得多。目前，室温下同

22、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。 1、半导体激光器的工作特性、半导体激光器的工作特性 温度愈高，阈值越高。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。n（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。1、半导体激光器的工作特性、半导体激光器的工作特性n（3）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

23、，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。1、半导体激光器的工作特性、半导体激光器的工作特性n（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。2、半导体激光器制备流程、半导体激光器制备流程 半导体激光器的寿命与其制备工艺密切相关，每一半导体激光器的寿命与其制备工艺

24、密切相关，每一步工艺都可能对其可靠性产生重大影响。步工艺都可能对其可靠性产生重大影响。为研究其寿命和失效机理，首先应了解器件的制备工艺。尽管各种半导体激光器的结构设计不同，制作工艺存在差别，但都大同小异。基本工艺应包括：衬底的选择和制备、外延生长、化学腐蚀、扩散、电极制作、解理或划片、装架制管、老化筛选、封装耦合、终测等。 大体的制备流程分为前工艺和后工艺两部分。2、半导体激光器制备流程、半导体激光器制备流程n（1）管芯制作工艺（前工艺） 衬底是用于外延生长的基片。由于外延生长的质量明显地受衬底结晶质量的影响，因此要求衬底应该具备规定的晶向及一定的偏离范围；一定的厚度；适宜的掺杂浓度；表面光亮

25、、平整、无划痕；内部基本无位错或是低位错。这就需要选择一定掺杂浓度的低腐蚀的单晶材料作衬底并对其进行精细抛光。2、半导体激光器制备流程、半导体激光器制备流程n外延生长就是在衬底片上生长多层的二元或多元化合物或合金（固溶体），以使其形成同质结或异质结。外延生长技术有液相外延（LPE）、气相外延(VPE)、有机金属化合物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等，它是决定器件性能、成品率和可靠性的关键工艺。n化学腐蚀就是根据设计的激光器结构和所用半导体材料来制备所需各种形状的重要工艺环节，选择适当的化学腐蚀液。腐蚀液的选择及腐蚀过程控制对器件的制备水平和可靠性有重要影响。n扩散技术可以改变

26、半导体材料的电学、光学性质，是半导体器件制造中采用十分普遍的通用工艺，占有重要地位。2、半导体激光器制备流程、半导体激光器制备流程n电极制作又称欧姆接触制备是制造半导体激光器中看来简单但十分重要的工艺。它的好坏不仅影响器件的电光转换效率，而且关系到器件工作的热状态，直接影响到器件的可靠性和寿命。n解理技术是将金属化（欧姆接触制作）后的外延片解理成单个管芯，并获得平行反射腔面（即F-P 腔）的一项技术。根据半导体晶体的特点，这些平行的端面容易半导体晶体的解理面获得。用金刚石刀在具有金属电极的外延片上沿解理面方向切划，即可得到完全平行的腔镜面，最后再金刚石刀或线锯垂直于镜面切割出所设计尺寸的单个芯

27、片。半导体激光器的腔面质量对器件的性能和可靠性都有很大影响。2、半导体激光器制备流程、半导体激光器制备流程n（2）后工艺 半导体激光器的后工艺主要包括选择热沉、烧焊、键合、耦合和封装等。n热沉的选择热沉的选择 激光器工作时要发热，为了使其能够维持稳定的输激光器工作时要发热，为了使其能够维持稳定的输出，必须散热，而热沉就是用于激光器工作时产生出，必须散热，而热沉就是用于激光器工作时产生热量消散的主要零部件。因此为了达到良好的散热热量消散的主要零部件。因此为了达到良好的散热目的，必须对热沉材料进行选择。一方面，热沉材目的，必须对热沉材料进行选择。一方面，热沉材料应是热良导体、不污染且与激光器管芯的

28、物理性料应是热良导体、不污染且与激光器管芯的物理性质相匹配，主要是热膨胀系数应相同或接近；另一质相匹配，主要是热膨胀系数应相同或接近；另一方面，还应具有易于加工和与激光器管芯烧焊容易、方面，还应具有易于加工和与激光器管芯烧焊容易、可靠等特点。目前使用的热沉材料主要有无氧铜、可靠等特点。目前使用的热沉材料主要有无氧铜、硅、金刚石、纯银等。其中铜和硅用得较多。硅、金刚石、纯银等。其中铜和硅用得较多。 2、半导体激光器制备流程、半导体激光器制备流程n烧焊及其焊料烧焊及其焊料 烧焊就是将管芯焊接在热沉上。目的是增加散热能力，减少热沉和管芯之间由于热膨胀系数不同而造成的退化。烧焊方法很多，主要应根据焊料

29、性质（如熔点、是否易氧化）及工艺要求而定。包括真空烧焊、惰性气体保护烧焊以及直接烧焊等。不论何种方式都要求作到不能破坏解理面，温度不能过高以及均匀沾润等。焊料主要有纯In、纯Sn、Au-Sn或Au-Ge易熔合金，也有采用Pb-Sn（含Pb40%）合金的。2、半导体激光器制备流程、半导体激光器制备流程n键合键合 键合是将50m左右的金丝或几十m宽的金箔带用超声焊或热压焊，或两者兼有的方法将电极连接到管芯上，以作电流注入的引线。焊点要牢固，但不能加压太厉害，否则在管芯内会产生微损伤。n耦合与封装耦合与封装 半导体激光器发散角大，直接使用不方便，因此需要将其光束耦合到光纤或经过透镜压缩光斑后使用，这

30、样的工艺过程成为耦合过程。由于光纤很细，光束在垂直和平行方向上又不对称，因此为了保证耦合效率，需要研究耦合问题，包括研究光纤断面的形状、光纤与激光器间的距离、高精度的耦合机械调整装置等等。 2、半导体激光器制备流程、半导体激光器制备流程 封装的种类很多，但目前国内外主要有蝶型(BTF)、TO、双列直插和同轴型等。结构是有光纤耦合输出和光窗输出两种。某些情况下，管壳内还装有温控、光控以及半导体制冷器（TEC），有的还装有驱动电路。不论何种封装形式，都是围绕提高器件可靠性这个核心。因此器件的封装应该是全金属化的。即管壳、盖板与管座，光纤与管壳之间应该是全金属化焊接，而不能采用胶接。此外还必须保持良

31、好的气密性。这样器件不受环境影响，从而达到提高激光器可靠性的目的。另外，管壳的散热情况，即其热阻对器件的工作条件和可靠性影响很大。要尽可能降低管壳的热阻，因为热是半导体激光器加速退化的主要因素。3、同质结半导体激光器、同质结半导体激光器3、同质结半导体激光器、同质结半导体激光器3、同质结半导体激光器、同质结半导体激光器3、同质结半导体激光器、同质结半导体激光器3、同质结半导体激光器、同质结半导体激光器3、同质结半导体激光器、同质结半导体激光器3、同质结半导体激光器、同质结半导体激光器3、同质结半导体激光器、同质结半导体激光器3、同质结半导体激光器、同质结半导体激光器3、同质结半导体激光器、同质

32、结半导体激光器3、同质结半导体激光器、同质结半导体激光器( )( )() ( )()( , ) ( )( )() ( )() ( )cvcvcvcvcvcvccdIddN ghnncB N E N E hf Ef E hnx gh dtdtIdxB N E N E hdxf Ef E hgh 3、同质结半导体激光器、同质结半导体激光器1()()()()( )()()()()( )()()000cvcvcvcvcvcvcvtdIGdx IdtBNE NEhdxfEfEhghnBNE NEhcfEfEhghfEfEhGdIGG在 粒 子 数 反 转 分 布 时 ，光 强 得 到 放 大 。 并 且

33、 当时 ， 产 生 激 光 。4、异质结半导体激光器、异质结半导体激光器（1）结构特点若pn结一侧为GaAs材料。另一侧为GaAlAs材料称为若半导体激光器只有一个异质结，称为单异质结。4、异质结半导体激光器、异质结半导体激光器若半导体激光器有两个异质结，称为双异质结双异质结（DH）激光器4、异质结半导体激光器、异质结半导体激光器（2）平衡时异质结的能带结构v1-xxvpnP-PGaAl As-GaAs00.4eVcc由禁带宽度不同的两种材料构成结时，在界面处导带和价带都有突变，分别以 E 和 E 表示。在型异质结中， E，当x=0.3时， E。4、异质结半导体激光器、异质结半导体激光器 （3

34、 ）GaAs的折射率变化结论：掺杂浓度越大，折射率越低。结论：掺杂浓度越大，折射率越低。掺杂浓度对GaAs材料折射率的影响4、异质结半导体激光器、异质结半导体激光器1-xxGaAl Asxnnx5%（2）的折射率随 的变化n=0.62xx=0时， =3.59(GaAs)x=1时， =2.71(AlAs)一般情况， =0.3， n=0.1860.186折射率突变量3.595、量子阱激光器、量子阱激光器异质结厚度仅为110nm的异质结激光器称为量子阱激光器。量子阱激光器。 有源层尺寸极小有源层与两边相邻层的能带不连续导代和价带的突变势能阱量子阱效应5、量子阱激光器、量子阱激光器量子阱激光器的优点量

35、子阱激光器的优点是阈值电流仅为异质结激光器的四分之一，因此有利于光集成化和制作大功率半导体激光器，并且它的光束质量好，有利于提高光通信的质量。半导体激光器材料的研究进展半导体激光器材料的研究进展一、半导体激光器的发展历史一、半导体激光器的发展历史二、半导体激光器的工作原理二、半导体激光器的工作原理三、半导体激光器的制作工艺三、半导体激光器的制作工艺四、半导体激光器的应用现状四、半导体激光器的应用现状五、半导体激光器材料的发展前五、半导体激光器材料的发展前四、半导体激光器的应用现状四、半导体激光器的应用现状1、产业和技术方面的应用 2、在医疗和生命科学研究方面的应用3、军事上的应用1、产业和技术

36、方面的应用、产业和技术方面的应用n（1）光通信n（2）光信息存储n（3）材料加工n（4）泵浦光源n（5）激光打印机n（6）激光报警器n（7）高清晰度激光电视（1）光通信）光通信n光纤通讯领域是半导体激光器应用的最大市场n1.3um和1.55um的InGaAsP/InP半导体激光器是通讯用半导体激光器光源n0.98um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。（2）光信息存储）光信息存储n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。n蓝、绿光波

37、段的半导体激光器高容量信息存储全彩色显示对潜通信n激光熔覆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。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：16kW光束质量：100400mmmrad光斑大小：22mm2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斑形状为矩形光强分布均匀等光强分布均匀等。广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、机械等工业领域。（3）材料加工）材料加工n半导体激光器在焊接领域的应用半导体激光器在焊接领域的应用汽车工业精密点

38、焊热传导焊接管道的轴向焊接。n用于薄片金属焊接的半导体激光器，焊接材料的厚度为0.12.5mm功率为3003000W，光束质量为 40150mmmrad，光斑大小为0.41.5mm，。n大功率半导体激光器焊接的优点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。 （3）材料加工）材料加工n 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。（4）泵浦光源）泵浦光源（5）激光打印机）激光打印机n激光打印机激光打印机脱胎于八十

39、年代末的激光照排技术，流行于九十年代中期。它是将激光扫描技术和电子照相技术相结合的打印输出设备。其基本工作原理是由计算机其基本工作原理是由计算机传来的二进制数据信息，通过视传来的二进制数据信息，通过视频控制器转换成视频信号，再由频控制器转换成视频信号，再由视频接口视频接口/控制系统把视频信号控制系统把视频信号转换为激光驱动信号，然后由激转换为激光驱动信号，然后由激光扫描系统产生载有字符信息的光扫描系统产生载有字符信息的激光束，最后由电子照相系统使激光束，最后由电子照相系统使激光束成像并转印到纸上激光束成像并转印到纸上。较其他打印设备，激光打印机有打印速度快、成像质量高等优点；但使用成本相对高昂

40、。 （6）激光报警器）激光报警器 设置在坦克、舰艇、飞机等武器装备上，用于探测、报知敌方激光武器、激光制导武器、激光雷达、激光测距机等的被动侦察装备。又称激光告警器。 20世纪70年代初开始研制，尚处在实验阶段。仅有少数型号装备部队，如美国装备于直升机上的ANAVR-2型激光告警器。激光告警器通常由扫描天线、激光监别器、探测器、放大器、微处理机、指令控制器、报警显示器等组成。它是根据激光的相干特性，在激光束变成电信号之前加激光鉴别器，以鉴别信号是否由激光源发出的，再根据干涉条纹分布和出现的时间，确定激光的波长、脉宽、光强等参数，然后经放大器送入微处理机进行分析和处理。最后，一路以声、光形式发出

41、报警信号；一路通知干扰对抗系统。 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。（7）高清晰度激光电视）高清晰度激光电视n激光电视合成图像的原理与电视机相似。激光束从

42、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。n激光电视与传统电视相比具有如下特点：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。 (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。 (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。（7）高清晰度激光电视）高清晰度激光电视 ）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。）

43、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。2、 在医疗和生命科学研究方面的应用在医疗和生命科学研究方面的应用3、军事上的应用、军事上的应用（1）激光雷达（2）激光制导（3）激光测距（4）激光引信n激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。n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

44、的体积和重量小等 n激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术n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。（1）激光雷达）激光雷达n驾束制导：大功率半导体激光器可作为发射光源直接用于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，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飞行轨迹直至击中目标。n激光半主动制导n激光主动制导 （2）激光制导）激光制导国产500公斤激光制导导弹n采用直接调制的脉

45、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。 （3）激光测距）激光测距n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。 （4）激光引信）激光引信半导体激光器材料的研究进展半导体激光器材料的研究进展一、半导体激光器的发展历史一、半导体激光器的发展历史二、半导体激光器的工作原理二、半导体激光器的工作原理三、半导体激光器的制作工艺三、半导体激光器的制作工艺四、半导体激光器的应用现状四、半导体激光器的应用现状五、半导体激光器材料的发展前景五、半导体激光器材料的发展前景五、

46、半导体激光器材料的发展前景五、半导体激光器材料的发展前景 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在高速宽带高速宽带LD、大功率、大功率ID，短，短波长波长LD，盆子线和量子点激光器、中红外，盆子线和量子点激光器、中红外LD等方面。五、半导体激光器材料的发展前景五、半导体激光器材料的发展前景n一是激光器研究向固态化方向发展，半导体激光器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和半导体泵浦固体激光器成为激光加工设备的主导方向。方向。n由于半导体激光器和半导体泵浦固体激

47、光器自身所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。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。五、半导体激光器材料的发展前景五、半导体激光器材料的发展前景n二是激光技术对产品投入产出比和技术基础的

48、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。n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。五、半导体激光器材料的发展前景五、半导体激光器材料的发展前景n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

49、扩大。n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）。五、半导体激光器材料的发展前景五、半导体激光器材料的发展前景n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 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的垄断。五、半导体激光器材料的发展前景五、半导体激光器材料的发展前景 半导体激光器在生活的方方面面都发挥了巨大作用，改善了我们的生活，尤其以大功率半导体激光器为例，它所具有的独特魅力，也将使其在国际国内具有更为广阔的开发和应用前景。97 结束语结束语