大功率半导体激光器及应用前景

1、概述

众所周知，半导体激光器(又称激光二极管)以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制以及与其他半导体器件集成的能力强等特点而成为信息技术的关键器件。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的Z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Z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，制作出的激光二极管(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。

2、技术发展

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。

3、应用

1983年，波长800nm的单个LD输出功率已超过100mW，到了1989年，0.1mm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。GX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。Z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。 其应用可分为如下几个方面：

(1) 光通信 光纤通讯领域是半导体激光器应用的Z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。

(2) 光信息存储 红光半导体激光器，目前Z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Z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，对潜通信等。

(3) 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，功率为1～6kW，光束质量为100～400mm•mrad，光斑大小为2×2mm^2，用半导体激光器光束进行熔覆与表面热处理的优势为电光效率高、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。因此广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、机械等工业领域。

(4)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Z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。

(5)激光YL及美容 大功率半导体激光器在激光YL中也具有很重要的应用，如激光手术刀、光能ZL、激光针灸、脱毛和除发。

(6)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。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;另一个应用是激光制导，比如驾束制导。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。经空间编码的激光光束直接指向目标，的弹尾接收器接收激光束中的编码信号修正的飞行轨迹直至击中目标。

Z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GX、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。