大功率半导体激光器及其应用

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1、大功率半导体激光器及应用长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室马晓辉概述一、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。1、激光的概念激光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，LASER）一词是受激辐射光放大。1960年，

2、美国物理学家梅曼（Maiman）在实验室中做成了第一台红宝石(Al2O3: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。CharlesH.Townes（汤森)ArthurL.Schawlow（肖洛夫）Maiman（梅曼）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

3、射。E1E3E2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，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用。且hv=E2-E1，其中：E2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。E1E3E2hvE1E3E2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10-8s），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

4、程，叫做自发辐射。hv自发辐射示意图E1E3E2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。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=E2-E1，原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1，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E1E2hvE1E2hvhv受激辐射示意图2、产生

5、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。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

6、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。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Nd3+: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

7、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，

8、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。激光二极管1、半导体激光