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半導體激光模�
閱讀�4111時間�2017-09-20 09:45:23

    半導�光模�,又稱“半導體激光模組�,是成熟較早、進展較快的一�激光器。由于它的波長范圍寬,制作簡單、成本低、易于大量生�(chǎn),并且由于體積小、重量輕、壽命長,因�,品種發(fā)展快,應(yīng)用范圍廣,目前已超過300�。半導體激光模塊在激光測距、激光雷�、引燃引�、檢測儀器等方面獲得了廣泛的�(yīng)�,形成了廣闊的市場�
    半導體激光模塊的最主要�(yīng)用領(lǐng)域是Gb局域網(wǎng)�850nm波長的半導體激光模塊適用于)1Gh/。局域網(wǎng)�1300nm -1550nm波長的半導體激光模塊適用于1OGb局域網(wǎng)系統(tǒng)i1.半導體激光模塊的�(yīng)用范圍覆蓋了整個光電子學領(lǐng)域,已成為當今光電子科學的核心技�(shù)�

�(yīng)�

    1978�,半導體激光模塊開始應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng),半導體激光模塊可以作為光纖通信的光源和指示器以及通過大規(guī)模集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng).由于半導體激光模塊有著超小型、高效率和高速工作的�(yōu)異特點,所以這類器件的發(fā)�,一開始就和光通信技�(shù)緊密�(jié)合在一�,它在光通信、光變換、光互�、并行光波系�(tǒng)、光信息處理和光存貯、光計算機外部設(shè)備的光禍合等方面有重要用�.半導體激光模塊的問世極大地推動了信息光電子技�(shù)的發(fā)�,到如今,它是當前光通信�(lǐng)域中�(fā)展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光�.半導體激光模塊再加上低損耗光�,對光纖通信�(chǎn)生了重大影響,并加速了它的�(fā)�.因此可以�,沒有半導體激光模塊的出現(xiàn),就沒有當今的光通信.GaAs/GaAlA。雙異質(zhì)�(jié)激光器是光纖通信和大氣通信的重要光源,如今,凡是長距離、大容量的光信息傳輸系統(tǒng)無不都采用分布反饋式半導體激光模�(DFB一LD).半導體激光模塊也廣泛地應(yīng)用于光盤技�(shù)�,光盤技�(shù)是集計算技�(shù)、激光技�(shù)和數(shù)字通信技�(shù)于一體的綜合性技�(shù).是大容t.高密�、快速有效和低成本的信息存儲手段,它需要半導體激光模塊產(chǎn)生的光束將信息寫人和讀�.
    下面我們具體來看看幾種常用的半導體激光模塊的�(yīng)�:
    量子阱半導體大功率激光器在精密機械零件的激光加工方面有重要�(yīng)�,同時也成為固體激光器最理想的、高效率泵浦光源.由于它的高效�、高�*性和小型化的�(yōu)�,導致了固體激光器的不斷更�.
    在印刷業(yè)和醫(yī)學領(lǐng)域,高功率半導體激光模塊也有應(yīng)�.另外,如長波長激光器(1976�,人們用Ga[nAsP/InP實現(xiàn)了長波長激光器)用于光通信,短波長激光器用于光盤讀�.自從NaKamuxa實現(xiàn)了GaInN/GaN藍光激光器,可見光半導體激光模塊在光盤系統(tǒng)中得到了廣泛�(yīng)�,如CD播放器,DVD系統(tǒng)和高密度光存儲器可見光面�(fā)射激光器在光�、打印機、顯示器中都有著很重要的�(yīng)�,特別是紅光、綠光和藍光面發(fā)射激光器的應(yīng)用更廣泛.藍綠光半導體激光模塊用于水下通信、激光打�、高密度信息讀�、深水探測及�(yīng)用于大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視機中.總之,可見光半導體激光模塊在用作彩色顯示器光�、光存貯的讀出和寫人,激光打印、激光印�、高密度光盤存儲系統(tǒng)、條碼讀出器以及固體激光器的泵浦源等方面有著廣泛的用�.量子級聯(lián)激光的新型激光器�(yīng)用于�(huán)境檢測和�(yī)檢領(lǐng)�.另外,由于半導體激光模塊可以通過改變磁場或調(diào)節(jié)電流實現(xiàn)波長�(diào)諧,且已�(jīng)可以獲得線寬很窄的激光輸�,因此利用半導體激光模塊可以進行高分辨光譜研�.可調(diào)諧激光器是深入研究物�(zhì)�(jié)�(gòu)而迅速發(fā)展的激光光譜學的重要工具大功率中紅�(3.5lm)LD在紅外對�、紅外照明、激光雷�、大氣窗�、自由空間通信、大氣監(jiān)視和化學光譜學等方面有廣泛的�(yīng)�.
    綠光到紫外光的垂直腔面發(fā)射器在光電子學中得到了廣泛的�(yīng)�,如超高密度、光存儲.近場光學方案被認為是實現(xiàn)高密度光存儲的重要手�.垂直腔面�(fā)射激光器還可用在全色平板顯示、大面積�(fā)射、照�、光信號、光裝飾、紫外光刻、激光加工和�(yī)療等方面I2)、如前所�,半導體激光模塊自20世紀80年代初以�,由于取得了DFB動態(tài)單縱模激光器的研制成功和實用化,量子阱和�(yīng)變層量子阱激光器的出�(xiàn),大功率激光器及其列陣的進展,可見光激光器的研制成�,面�(fā)射激光器的實�(xiàn)、單極性注人半導體激光模塊的研制等等一系列的重大突�,半導體激光模塊的�(yīng)用越來越廣泛,半導體激光模塊已成為激光產(chǎn)�(yè)的主要組成部�,目前已成為各國�(fā)展信�、通信、家電產(chǎn)�(yè)及軍事裝備不可缺少的重要基礎(chǔ)器件.
    半導體激光模塊在半導體激光打標機中的�(yīng)用:
    半導體激光模塊因其使用壽命長、激光利用效率高、熱能量比YAG激光器�、體積小、性價比高、用電省等一系列�(yōu)勢而成�2010年熱賣產(chǎn)�,e�(wǎng)激光生�(chǎn)的國�(chǎn)半導體激光模塊的出現(xiàn),加速了以半導體激光模塊為主要耗材的半導體激光機取代YAG激光打標機市場份額的步��

�(fā)�

    半導體物理學的迅速發(fā)展及隨之而來的晶體管的發(fā)�,使科學家們早�50年代就設(shè)想發(fā)明半導體激光模��60年代早期,很多小組競相進行這方面的研究。在理論分析方面,以莫斯科列別捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最為杰��  �1962�7月召開的固體器件研究國際會議上,美國麻省理工學院林肯實驗室的兩名學者克耶斯(Keyes)和奎斯特(Quist)報告了砷化鎵材料的光發(fā)射現(xiàn)�,這引起通用電氣研究實驗室工程師哈爾(Hall)的極大興趣,在會后回家的火車上他寫下了有關(guān)�(shù)�(jù)。回到家�,哈爾立即制定了研制半導體激光模塊的計劃,并與其他研究人員一道,�(jīng)�(shù)周奮�,他們的計劃獲得成功�  像晶體二極管一�,半導體激光模塊也以材料的p-n�(jié)特性為基礎(chǔ),且外觀亦與前者類似,因此,半導體激光模塊常被稱為二極管激光器或激光二極管�  早期的激光二極管有很多實際限�,例�,只能在77K低溫下以微秒脈沖工作,過�8年多時間,才由貝爾實驗室和列寧格勒(�(xiàn)在的圣彼得堡)約飛(Ioffe)物理研究所制造出能在室溫下工作的連續(xù)器件。而足夠可靠的半導體激光模塊則直到70年代中期才出�(xiàn)�  半導體激光模塊體積非常小,最小的只有米粒那樣�。工作波長依賴于激光材�,一般為0.6�1.55微米,由于多種應(yīng)用的需�,更短波長的器件在發(fā)展中。據(jù)報導,以Ⅱ~Ⅳ價元素的化合物,如ZnSe為工作物�(zhì)的激光器,低溫下已得�0.46微米的輸�,而波�0.50�0.51微米的室溫連續(xù)器件輸出功率已達10毫瓦以上。但迄今尚未實現(xiàn)商品��  光纖通信是半導體激光可�(yù)見的最重要的應(yīng)用領(lǐng)�,一方面是世界范圍的遠距離海底光纖通信,另一方面則是各種地區(qū)�(wǎng)。后者包括高速計算機�(wǎng)、航空電子系�(tǒng)、衛(wèi)生通訊�(wǎng)、高清晰度閉路電視網(wǎng)�。但就目前而言,激光唱機是這類器件的市�。其他應(yīng)用包括高速打�、自由空間光通信、固體激光泵浦源、激光指�,及各種�(yī)療應(yīng)用等�  20世紀60年代初期的半導體激光模塊是同質(zhì)�(jié)型激光器,它是在一種材料上制作的pn�(jié)二極管在正向大電流注人下,電子不斷地向p區(qū)注人,空穴不斷地向n區(qū)注人.于是,在原來的pn�(jié)耗盡區(qū)�(nèi)實現(xiàn)了載流子分布的反�(zhuǎn),由于電子的遷移速度比空穴的遷移速度�,在有源區(qū)�(fā)生輻�、復(fù)合,�(fā)射出熒光,在一定的條件下發(fā)生激�,這是一種只能以脈沖形式工作的半導體激光模�.  半導體激光模塊發(fā)展的第二階段是異�(zhì)�(jié)�(gòu)半導體激光模�,它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層,如GaAs, GaAlAs所組成,出�(xiàn)的是單異�(zhì)�(jié)�(gòu)激光器(1969�).單異�(zhì)�(jié)注人型激光器(SHLD)是利用異�(zhì)�(jié)提供的勢壘把注入電子限制在GaAsP一N�(jié)的P區(qū)之內(nèi),以此來降低閥值電流密�,其�(shù)值比同質(zhì)�(jié)激光器降低了一個數(shù)量級,但單異�(zhì)�(jié)激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作.  1970�,實�(xiàn)了激光波長為9000&Aring;.室溫連續(xù)工作的雙異質(zhì)�(jié)GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼鋁�)激光器.雙異�(zhì)�(jié)激光器(DHL)的誕生使可用波段不斷拓寬,線寬和�(diào)諧性能逐步提高,其�(jié)�(gòu)的特點是在P型和n型材料之間生長了僅有0. 2 Eam厚的,不摻雜�,具有較窄能隙材料的一個薄�,因此注人的載流子被限制在該區(qū)域內(nèi)(有源區(qū)),因而注人較少的電流就可以實�(xiàn)載流子數(shù)的反�(zhuǎn).在半導體激光模塊件�,目前比較成熟、性能較好、應(yīng)用較廣的是具有雙異質(zhì)�(jié)�(gòu)的電注人式GaAs二極管激光器.  隨著異質(zhì)�(jié)激光器的研究發(fā)�,人們想到如果將超薄�(< 20nm)的半導體層作為激光器的激括層,以致于能夠�(chǎn)生量子效�(yīng),結(jié)果會是怎么�?再加之由于MBE,MOCVD技�(shù)的成�,于是,�1978年出�(xiàn)了世界上只半導體量子阱激光器(QWL),它大幅度地提高了半導體激光模塊的各種性能.后來,又由于MOCVD,MBE生長技�(shù)的成熟,能生長出高質(zhì)量超精細薄層材料,之后,便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器,量子阱半導體激光模塊與雙異�(zhì)�(jié)(DH)激光器相比,具有闌值電流低、輸出功率高,頻率響�(yīng)好,光譜線窄和溫度穩(wěn)定性好和較高的電光�(zhuǎn)換效率等許多�(yōu)�.  QWL在結(jié)�(gòu)上的特點是它的有源區(qū)是由多個或單個阱寬約�100人的勢阱所組成,由于勢阱寬度小于材料中電子的德布羅意波的波�,產(chǎn)生了量子效應(yīng),連續(xù)的能帶分裂為子能�.因此,特別有利于載流子的有效填充,所需要的激射閱值電流特別低.半導體激光模塊的�(jié)�(gòu)中應(yīng)用的主要是單、多量子阱,單量子阱(SQW)激光器的結(jié)�(gòu)基本上就是把普通雙異質(zhì)�(jié)(DH)激光器的有源層厚度做成�(shù)十nm以下的一種激光器,通常把勢壘較厚以致于相鄰勢阱中電子波函數(shù)不發(fā)生交迭的周期�(jié)�(gòu)稱為多量子阱(MQW ).量子阱激光器單個輸出功率現(xiàn)已大�1w,承受的功率密度已達l OMW/cm3以上[c)而為了得到更大的輸出功率,�??梢园言S多單個半導體激光模塊組合在一起形成半導體激光模塊列�。因�,量子阱激光器當采用陣列式集成�(jié)�(gòu)�,輸出功率則可達到l00w以上.近年�,高功率半導體激光模�(特別是陣列器�)飛速發(fā)展,已經(jīng)推出的產(chǎn)品有連續(xù)輸出功率5 W ,1ow,20w�30W的激光器陣列.脈沖工作的半導體激光模塊峰值輸出功�50w. 120W�1500W的陣列也已經(jīng)商品�.一�4. 5 cm x 9cm的二維陣�,其峰值輸出功率已�(jīng)超過45kW.峰值輸出功率為350kW的二維陣列也已間世[3]  �20世紀70年代末開�,半導體激光模塊明顯向著兩個方向發(fā)展,一類是以傳遞信息為目的的信息型激光器.另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器.在泵浦固體激光器等應(yīng)用的推動�,高功率半導體激光模�(連續(xù)輸出功率�100� 以上,脈沖輸出功率在5W以上,均可稱之謂高功率半導體激光模�)�20世紀90年代取得了突破性進展,其標志是半導體激光模塊的輸出功率顯著增加,國外千瓦級的高功率半導體激光模塊已�(jīng)商品化,國內(nèi)樣品器件輸出已達�600W[61.如果從激光波段的被擴展的角度來看,先是紅外半導體激光模塊,接著�670nm紅光半導體激光模塊大量進人�(yīng)�,接著,波長�650nm,635nm的問�,藍綠光、藍光半導體激光模塊也相繼研制成功�10mw量級的紫光乃至紫外光半導體激光模�,也在加緊研制中[a}為適�(yīng)各種�(yīng)用而發(fā)展起來的半導體激光模塊還有可�(diào)諧半導體激光模�,‘’電子束激勵半導體激光模塊以及作為“集成光路”的光源的分布反饋激光器(DFB一LD),分布布喇格反射式激光器(DBR一LD)和集成雙波導激光器.另外,還有高功率無鋁激光器(從半導體激光模塊中除去�,以獲得更高輸出功率,更長壽命和更低造價的管�)、中紅外半導體激光模塊和量子級聯(lián)激光器等等.其中,可�(diào)諧半導體激光模塊是通過外加的電場、磁�、溫度、壓�、摻雜盆等改變激光的波長,可以很方便地對輸出光束進行�(diào)�.分布反饋(DF 式半導體激光模塊是伴隨光纖通信和集成光學回路的�(fā)展而出�(xiàn)�,它�1991年研制成�,分布反饋式半導體激光模塊完全實�(xiàn)了單縱模運作,在相干技�(shù)�(lǐng)域中又開辟了巨大的應(yīng)用前景它是一種無腔行波激光器,激光振蕩是由周期結(jié)�(gòu)(或衍射光�)形成光藕合提供的,不再由解理面構(gòu)成的諧振腔來提供反饋,優(yōu)點是易于獲得單模單頻輸出,容易與纖維光纜、調(diào)制器等輛合,特別適宜作集成光路的光源.  單極性注人的半導體激光模塊是利用在導帶內(nèi)(或價帶內(nèi))子能級間的熱電子光躍遷以實現(xiàn)受激光發(fā)�,自然要使導帶和價帶�(nèi)存在子能級或子能�,這就必須采用量子阱結(jié)�(gòu).單極性注人激光器能獲得大的光功率輸出,是一種商效率和超商速響�(yīng)的半導體激光模�,并對發(fā)展硅基激光器及短波激光器很有�.量子級聯(lián)激光器的發(fā)明大大簡化了在中紅外到遠紅外這樣寬波長范圍內(nèi)�(chǎn)生特定波長激光的途徑.它只用同一種材料,根據(jù)層的厚度不同就能得到上述波長范圍�(nèi)的各種波長的激�.同傳�(tǒng)半導體激光模塊相�,這種激光器不需冷卻系統(tǒng),可以在室溫下穩(wěn)定操�.低維(量子線和量子�)激光器的研究發(fā)展也很快,日本okayama的GaInAsP/Inp長波長量子線(Qw+)激光器已做�9OkCW工作條件下Im =6.A,l =37A/cm2并有很高的量子效�.眾多科研單位正在研制自組裝量子點(QD)激光器,目前該QDLD已具有了高密�,高均勻性和高發(fā)射功率[U1.由于實際需�,半導體激光模塊的�(fā)展主要是圍繞著降低闊值電流密度、延長工作壽�、實�(xiàn)室溫連續(xù)工作,以及獲得單�、單頻、窄線寬和發(fā)展各種不同激射波長的器件進行�.  20世紀90年代出現(xiàn)并特別值得一提的是面�(fā)射激光器(SEL),早�1977�,人們就提出了所謂的面發(fā)射激光器,并�1979年做出了個器��1987年做出了用光泵浦�780nm的面�(fā)射激光器.1998年GaInAIP/GaA。面�(fā)射激光器在室溫下達到亞毫安的�(wǎng)電流,8mW的輸出功率和11%的轉(zhuǎn)換效率[2)前面談到的半導體激光模�,從腔體�(jié)�(gòu)上來�,不論是F一P(法布里一泊羅)腔或是DBR(分布布拉格反射式)�,激光輸出都是在水平方向,統(tǒng)稱為水平腔結(jié)�(gòu).它們都是沿著襯底片的平行方向出光的.而面�(fā)射激光器卻是在芯片上下表面鍍上反射膜�(gòu)成了垂直方向的F一p�,光輸出沿著垂直于襯底片的方向發(fā)出,垂直腔面�(fā)射半導體激光模�(VCSELS)是一種新型的量子阱激光器,它的激射闊值電流低,輸出光的方向性好,藕合效率高,通過陣列化分布能得到相當強的光功率輸�,垂直腔面發(fā)射激光器已實�(xiàn)了工作溫度達71 `C。另�,垂直腔面發(fā)射激光器還具有兩個不�(wěn)定的互相垂直的偏振橫模輸�,即x模和y模,目前對偏振開�(guān)和偏振雙�(wěn)特性的研究也進入到了一個新階段,人們可以通過改變光反�、光電反�、光注入、注入電流等等因素實�(xiàn)對偏振態(tài)的控�,在光開�(guān)和光邏輯器件�(lǐng)域獲得新的進展�20世紀90年代�,面�(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器得到了迅速的�(fā)�。目前,垂直腔面�(fā)射激光器已用于千兆位以太�(wǎng)的高速網(wǎng)�(luò)[21為了滿足21世紀信息傳輸寬帶�、信息處理高速化、信息存儲大容量以及軍用裝備小型、高精度化等需�,半導體激光模塊的�(fā)展趨勢主要在高速寬帶LD、大功率ID,短波長LD,盆子線和量子點激光器、中紅外LD等方�.目前,在這些方面取得了一系列重大的成��
    �(fā)展概�
    簡介
    半導體激光模塊又稱激光二極管[1](LD)。進入八十年代,人們吸收了半導體物理發(fā)展的成果,采用了量子�(QW)和應(yīng)變量子阱(SL-QW)等新穎性結(jié)�(gòu),引進了折射率調(diào)制Bragg�(fā)射器以及增強�(diào)制Bragg�(fā)射器技�(shù),同時還�(fā)展了MBE、MOCVD及CBE等晶體生長技�(shù)新工�,使得新的外延生長工藝能夠精確地控制晶體生長,達到原子層厚度的精�,生長出�(yōu)�(zhì)量子阱以及應(yīng)變量子阱材料。于�,制作出的LD,其閾值電流顯著下降,�(zhuǎn)換效率大幅度提高,輸出功率成倍增�,使用壽命也明顯加長�
    A 小功率LD
    用于信息技�(shù)�(lǐng)域的小功率LD�(fā)展極�。例如用于光纖通信及光交換系統(tǒng)的分布反�(DFB)和動�(tài)單模LD、窄線寬可調(diào)諧DFB-LD、用于光盤等信息處理技�(shù)�(lǐng)域的可見光波�(如波長為670nm�650nm�630nm的紅光到藍綠�)LD、量子阱面發(fā)射激光器以及超短脈沖LD等都得到實質(zhì)性發(fā)�。這些器件的發(fā)展特征是:單頻窄線寬、高速率、可�(diào)諧以及短波長化和光電單片集成化等�
    B 高功率LD
    1983�,波�800nm的單個LD輸出功率已超�100mW,到�1989年,0.1mm條寬的LD則達�3.7W的連續(xù)輸出,�1cm線陣LD已達�76W輸出,轉(zhuǎn)換效率達39%�1992�,美國人又把指標提高到一個新水平�1cm線陣LD連續(xù)波輸出功率達121W,轉(zhuǎn)換效率為45%。現(xiàn)�,輸出功率為120W�1500W�3kW等諸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列陣的迅速發(fā)展也為全固化激光器,亦即半導體激光泵�(LDP)的固體激光器的迅猛發(fā)展提供了強有力的條件�
    近年�,為適應(yīng)EDFA和EDFL等需要,波長980nm的大功率LD也有很大�(fā)�。最近配合光纖Bragg光柵作選頻濾�,大幅度改善其輸出穩(wěn)定性,泵浦效率也得到有效提��
    特點及應(yīng)用范�
    半導體二極管激光器是實用中最重要的一類激光器。它體積�、壽命長,并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦其工作電壓和電流與集成電路兼�,因而可與之單片集成。并且還可以用高達GHz的頻率直接進行電流�(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些�(yōu)�,半導體二極管激光器在激光通信、光存儲、光陀螺、激光打�、測距以及雷達等方面以及獲得了廣泛的�(yīng)��

常見典型波長

    標準和非標準封裝半導體激光模塊器。典型波長:635nm�65Onm�660nm�670nm�690nm�780nm�83Onm�860nm�915nm�940nm�1064nm�131Onm�1480nm.單管芯功率從50mw�7000mw;單Bar連續(xù)輸出功率>40w,百瓦級cw列陣,千瓦級Qcw列陣

激光設(shè)備應(yīng)�

    激光打標機常用半導體激光模塊波長為1064nm�532nm�808nm�。一般而言1064nm半導體激光模塊都是采用水�。而小功率�532nm以及808nm半導體激光模塊則一般采用風��

半導體激光模塊相�(guān)技�(shù)資料更多>>

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