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大功率半导体激光器研发历程及现状分析

导读: 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。

  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。半导体激光器是以半导体材料(主要是化合物半导体)作为工作物质, 以电流注入作为激励方式的一种激光器。从最初的低温(77K)下运转发展到室温下连续工作, 由小功率型向高功率型转变, 输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)。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270余种形式。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。

  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。

  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。

  一、半导体激光器的发展历史

  1962年9月, 世界上的第一台半导体激光器几乎同时由通用电气公司(General Electric)、国际商用机器公司(IBM-Thomas J.Watson)和麻省林肯实验室三个有威望的
  研究机构发明问世, 在一个月内都报导了GaAs的904nm相干输出。

  1964年, 林肯实验室发展了第一台液氮温度下工作的铅盐可调谐半导体激光器, 波长在2-30μm范围可调谐。1969年, 单异质结激光器研制成功, 但仍不能在室温下连续工作,1970年贝尔实验室等机构相继研制出双异质结激光器(DH-LD)。同固体、气体激光器相比, 半导体激光器的一个缺点就是模式差。为方便起见, 我们称x方向的模式为横模, y方向的模式为侧横模, z方向的模式为纵模。

  七十年代后期, 人们提出了几十种条形结构方案, 终于解决了激光器的基横模运转问题。最初提出的是所谓增益导引条形结构, 如氧化隔离条形、质子轰击条形、平面条形等。在一定的泵浦条件下, 这些激光器都能以基横模运转。但是, 这类激光器还有两个缺点:一是在电流增加时, 由于增益烧孔效应, 功率-电流特性会出现非线性;二是有像散现象, 即x方向和y方向和束腰不在一个平面上, 这给应用带来了许多麻烦。后来又提出了折射率导引条形结构, 如隐埋条形、台阶衬底条形、沟槽衬底条形等等。这类激光器不存在像散现象, 并可在较大的电流范围内线性运转, 这又是一个重大的进步。

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