半導(dǎo)體激光器工作原理及應(yīng)用  

   隨著產(chǎn)品種類不斷豐富，半導(dǎo)體激光器在激光加工、3D打印、軍事、醫(yī)療、生命科學(xué)等領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。另外，隨著半導(dǎo)體耦合技術(shù)的提升，半導(dǎo)體激光器在切割、焊接、淬火、熔覆等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管，是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料為增益介質(zhì)，在各類激光器中擁有最佳的能量轉(zhuǎn)化效率，同時還具有體積小、重量輕、壽命長、可靠性高、能耗低等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等多個領(lǐng)域。

  半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管，是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料為增益介質(zhì)，在各類激光器中擁有最佳的能量轉(zhuǎn)化效率，同時還具有體積小、重量輕、壽命長、可靠性高、能耗低等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等多個領(lǐng)域。

半導(dǎo)體激光器原理

  半導(dǎo)體激光器常用工作物質(zhì)有砷化鎵、硫化鎘等，激勵方式有電注入、電子束激勵和光抽運三種方式。

 半導(dǎo)體激光器主要優(yōu)點是體積小、效率高、能耗低，例如半導(dǎo)體二極管激光器在激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等方面已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。此外，通常使用半導(dǎo)體激光器作為光纖激光器抽運源。

  以電注入式半導(dǎo)體激光器為例，半導(dǎo)體材料中通常會添加GaAS（砷化鎵）、InAS（砷化銦）、Insb（銻化銦）等材料制作成半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，當對二極管注入足夠大的電流后，中間有源區(qū)中電子（帶負電）與空穴（帶正電）會自發(fā)復(fù)合并將多余的能量以光子的形式釋放，再經(jīng)過諧振腔多次反射放大后形成激光。

半導(dǎo)體激光器特性

  半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的一類激光器件。它誕生于1962年，除了具有激光器的共同特點外，還具有以下優(yōu)點：

（1） 體積小，重量輕；

（2） 驅(qū)動功率和電流較低；

（3） 效率高、工作壽命長；

（4） 可直接電調(diào)制；

（5） 易于與各種光電子器件實現(xiàn)光電子集成；

（6） 與半導(dǎo)體制造技術(shù)兼容；可大批量生產(chǎn)。

  由于這些特點，半導(dǎo)體激光器自問世以來得到了世界各國的廣泛關(guān)注與研究。成為世界上發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛、最早走出實驗室實現(xiàn)商用化且產(chǎn)值最大的一類激光器。

在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用

(1)光纖通信。半導(dǎo)體激光器是光纖通信系統(tǒng)的唯一實用化光源，光纖通信已成為當代通信技術(shù)的主流。

(2)光盤存取。半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于光盤存儲器，其最大優(yōu)點是存儲的聲音、文字和圖像信息量很大。采用藍、綠激光能夠大大提高光盤的存儲密。

(3)光譜分析。遠紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于環(huán)境氣體分析，監(jiān)測大氣污染、汽車尾氣等。在工業(yè)上可用來監(jiān)測氣相淀積的工藝過程。 

(4)光信息處理。半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于光信息系統(tǒng)。表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器二維陣列是光并行處理系統(tǒng)的理想光源，將用于計算機和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。5)激光微細工。借助于Q開關(guān)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的高能量超短光沖，可對集成電路進行切割、打孔等。

(5)激光報警器。半導(dǎo)體激光報警器用途甚廣，包括防盜報警、水位報警、車距報警等。

(6)激光打印機。高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于激光打印機。采用藍、綠激光能夠大大提高打印速度和分辨率。

(7)激光條碼掃描器。半導(dǎo)體激光條碼掃描器已經(jīng)廣泛用于商品的銷售，以及圖書和檔案的管理。

(8)高清晰度激光電視。不久的將來，沒有陰極射線管的半導(dǎo)體激光電視機可以投放市場，它利用紅、藍、綠三色激光，估計其耗電量比現(xiàn)有的電視機低20%。

在材料加工上的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器在材料加工上多用于材料的切割和電路板的加工。由于激光器的高穩(wěn)定性和高效能，從而使得其可以輕易的對工業(yè)材料進行精確的切割，并且在高頻電路板的加工上，低波長的紫外激光也有不錯的應(yīng)用。

(1)光纖激光器和固體激光器的泵浦源

目前，半導(dǎo)體激光器的最大應(yīng)用是作為光纖激光器和固體激光器的泵浦源。作為光纖激光器泵源的半導(dǎo)體激光器，提高單元功率能夠從根本上簡化泵浦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或提高泵浦功率水平。隨著光纖激光器和固體激光器輸出功率越來越高，對半導(dǎo)體泵浦源的功率也提出了更高的要求。

(2)金屬切割

由于光束質(zhì)量的限制，傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器難以直接用于金屬切割。近年來，隨著半導(dǎo)體耦合技術(shù)的提高以及新型合束技術(shù)的逐漸成熟，部分千瓦級以上的光纖輸出的半導(dǎo)體激光器可以滿足切割對光束質(zhì)量的要求。另外，由于半導(dǎo)體激光器波長的多樣性，短波長的半導(dǎo)體激光器的波長十分接近鋁的波長吸收最大值，在汽車工業(yè)中，大功率半導(dǎo)體激光非常適用于車身的鋁材的焊接。激光輸出功率為2KW至6KW的半導(dǎo)體激光器在汽車工業(yè)生產(chǎn)過程中已廣泛應(yīng)用。

(3)塑料焊接

使用中小功率的半導(dǎo)體激光器的激光焊接完善了熱塑性塑料焊接的傳統(tǒng)方法，例如，通過超聲波焊接的方式，可使連接區(qū)域在壓緊前直接塑化。激光可以實現(xiàn)光穿透式的激光焊接，在連接區(qū)域形成均勻的熔體，避免因摩擦產(chǎn)生的起毛現(xiàn)象。半導(dǎo)體激光塑料焊接廣泛使用于汽車行業(yè)的傳感器或塑料箱體的密封焊接，也可應(yīng)用于木制產(chǎn)品包邊或者加工纖維強化的合成材料。

(4)激光熔覆

激光熔覆又稱為激光包覆或激光熔敷，是一種表面改性技術(shù)，通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層。半導(dǎo)體激光器可用于熔覆工藝，實現(xiàn)減少粉末與集體材料的混合以及更少的熱量輸入，進一步提高熔覆工藝的經(jīng)濟效益。

(5)激光錫焊

錫焊是利用低熔點的金屬焊料加熱熔化后，滲入并充填金屬件連接處間隙的焊接方法，焊料常為錫基合金。目前，輸出功率為100W的半導(dǎo)體激光器已在錫焊中的推廣應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體激光器價格的進一步降低、人工成本的不斷提高及智能制造、精密制造的推進，預(yù)計激光錫焊未來將逐步替換傳統(tǒng)的烙鐵焊接，得到廣泛的應(yīng)用。

在軍事上的應(yīng)用

  小功率的半導(dǎo)體激光器由于自身體積小，壽命長且易于調(diào)制的特點，被廣泛應(yīng)用于激光制導(dǎo)和激光測距等領(lǐng)域。簡單易行，并且取得了不錯的效果?，F(xiàn)在大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，也使其與軍事領(lǐng)域大放異彩，激光雷達和激光模擬以及深海光通信，都得到了極大的發(fā)展。

  半導(dǎo)體激光器在軍事上的應(yīng)用主要包括：高能激光武器泵源，大功率半導(dǎo)體激光器合束直接應(yīng)用;激光制導(dǎo)，使導(dǎo)彈在激光射束中飛行直至摧毀目標，半導(dǎo)體激光制導(dǎo)多用于地-空導(dǎo)彈、空-空導(dǎo)彈、地-地導(dǎo)彈等;激光測距，主要用于反坦克武器以及航空、航天等領(lǐng)域;激光雷達，用于監(jiān)測目標，對來襲目標精確定位以及對直升飛機和巡航導(dǎo)彈的地形跟蹤等。制導(dǎo)和測距等應(yīng)用以大功率脈沖半導(dǎo)體激光器為主，波長集中在904nm波長附近，近年來基于人眼安全考慮，有向長波長發(fā)展的。