【正文】 am、 JDSU(SDL)、 Lumics、 AgilentTechnologies、 Furukawa、 Qphotonics、 B1ueSky Research 等。其有源區(qū)采用 InGaAs 單量子阱，壘層采用 GaAsP材料，激光器芯片采用 MOCVD生長。 (2)產(chǎn)品二 整個模塊包括激光器、熱敏電阻、制冷器和探測器。工作溫度在 C75~C20 oo 范圍。 2020 年 9 月報道了 sMohrdiek 等人 獲得 980nm 波長光纖光柵半導(dǎo)體激光器輸出功率達到 550mW。 2020 年德國光器件制造商 Lumics 推出改進型的 980nm 光纖光柵半導(dǎo)體激光器LU975M300。該器件采用 14 針蝶形低截面封裝 (30X15 2X78m)，內(nèi)置致冷器，典型輸出功率 330mW，配合康寧 HI 1060 單模光纖和 FBG。 2020 年 3 月 19 呂，美國 JDSU公司推出兩款高性能 980nm 半導(dǎo)體激光器，主要應(yīng)用到 EOFA模塊上。另外一款 2945清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁 共 34 頁 系列 980nm 半導(dǎo)體激光器的功耗相比以往產(chǎn)品降低了 20％，該激光器可以產(chǎn)生 400mW光功率，內(nèi)部工作溫度控制在 45攝氏度。并且 JDSU 推出新一代芯片具有低的閩值電流23mA；高的轉(zhuǎn)換效率 0． 9W／ A；高的 kink— free 功率 l1W 和更優(yōu)的遠場發(fā)射角．垂直發(fā)射 o16 。 由于國內(nèi)對功率型半導(dǎo)體激光器的需求增加，國內(nèi)從 2020 年初就開始了 980nm 泵浦源半導(dǎo)體激光器的研制工作，主要研制單位是中科院半導(dǎo)體研究所和武漢郵電科學(xué)研究院。采取的技術(shù)途徑與 Bookham 公司的方案基本一致。 5nm，尾纖輸出功率約 80mW，壽命約 50000 小時。但是只是組裝，沒有管芯生產(chǎn) 能力。工作溫度只能在 C75~C50 oo 。 長春理工大學(xué)的高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室近幾年開始從管芯制作到器件封裝進行 980nm泵浦源半導(dǎo)體激光器研究。但由于國內(nèi)工業(yè)條件和加工技術(shù)以 及相關(guān)器件的制備方面還與國外有明顯的差距，在壽命和可靠性方面還有很大的不足，目前達到的 980nm 光纖光柵半導(dǎo)體激光器的輸出功率為幾十毫瓦量級。 980nm 半導(dǎo)體激光器的主要應(yīng)用 980nm 半導(dǎo)體激光器具有更低的閡值電流密度和高的微分量子效率，功耗?。粶囟纫蕾囮P(guān)系 弱 ；對摻鉺光纖具有高的泵浦效率；噪音系數(shù) 低等特點，因此，它 是摻鉺光纖放大器 (Erbium DopedFiberAmplifier，簡稱 EDFA)的最理想泵浦源。由于摻鉺光纖放大器其全光纖特點，便于和光纖通訊系統(tǒng)連接，使其成為光放大器的主選器件。 高速印刷是大功率半導(dǎo)體激光器另一個有較大發(fā)展空間的應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的印刷主要采用鹵素?zé)艄庠?，不僅不利于環(huán)境保護，也不適用現(xiàn)代的高分辨率圖象的印刷，半導(dǎo)體激光器由于其價格及性能和可靠性方面的諸多優(yōu)勢，使得其會在傳統(tǒng)的印刷業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 隨著高功率半導(dǎo)體激光器制備技術(shù)的不斷提高和價格的下降，材料處理與加工必然會成為大功率半導(dǎo)體激光器的最大應(yīng)用市場。 在醫(yī)療領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器作為熱源主要應(yīng)用于脫毛及外科中的組織切除與燒蝕手術(shù)。內(nèi)窺鏡輸出方式已經(jīng)成為醫(yī)療用半導(dǎo)體激光器的普遍功率輸出方式，對于某些特定工作波長的高功率半導(dǎo)體激光器，光動力學(xué)治療己經(jīng)成為癌癥治療的一種重要手段，這是因為有多種化學(xué)成分在 630770nm波段有光敏行為，利用腫瘤細胞中存 在的這些化學(xué)成分，采用激光激發(fā)以后可以有選擇性地殺傷腫瘤細胞 [2] 。并且也證明， 980nm波長比 800nm 波長更容易被水分子吸收，組織穿透深度小，能量更集中，對周圍組織損傷小，還具有很好的凝固止血效果。 1． 3 準(zhǔn)直技術(shù) 的意義與研究 半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直的意義 近年來由于多個領(lǐng)域?qū)Ω吖β实男枨?，出現(xiàn)了輸出功率較高的半導(dǎo)體激光器列陣 ，由 多個激光發(fā)射單元構(gòu)成，由于非對稱光波導(dǎo)的影響，每個激光器輸出的高斯光束在垂直于結(jié)平面方向和平行于結(jié)平面方向出現(xiàn)較大差別： （ 1） 兩個方向有較大的且不對稱的發(fā)散角； （ 2） 兩個方向的束腰不在同一位置上，即存在固有象散； 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁 共 34 頁 （ 3） 遠場為橢圓光斑。 目前，己經(jīng)有許多技術(shù)或方案被應(yīng)用于實驗室或生產(chǎn)領(lǐng)域并取得一定的效果，但是，所有這些技術(shù)或方案都存在這樣或那樣的問題，比如：有些技術(shù)整形效果很好但器件的加工卻非常困難從而限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用；而有些 技術(shù)，雖然加工容易、取材方便，但其整形效果卻不太理想。 準(zhǔn)直技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 激光束準(zhǔn)直系統(tǒng)是光 電 系統(tǒng)中一個重要的組成部分，其目的是要壓縮光束的發(fā)散角，并縮小子午方向和弧矢方向發(fā)散角之間的差距，使得激光器輸出的橢圓光斑整形為圓對稱光斑。 國外方面： 2020 年，德國耶拿激光二極管公司對一種改進的面陣激光整形系統(tǒng) 進行了研究。 2020 年至 2020 年， Alabama 大學(xué)對激光束整形研究進行研究。 2020 年，德國 Fraunhofer 應(yīng)用光學(xué)與精密機械研究中心對半導(dǎo)體激光高亮度光纖耦合進行了研究。 2020 年，重慶師范學(xué)院對“圓柱透鏡對半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直性能的改進”進行了理論研究，仔細分析了半導(dǎo)體激光器快軸方向發(fā)散光束通過圓柱透鏡后的準(zhǔn)直特性、光強分布和光能轉(zhuǎn)換效率與圓柱透鏡的半徑、介質(zhì)折射率、介質(zhì)損耗、安裝距離等可調(diào)參數(shù)以及界面反射的關(guān)系。中國科 學(xué)院光電技術(shù)研究所微細加工光學(xué)技術(shù)國家重點實驗室，對大功率半導(dǎo)體激光器陣列光束光纖耦合進行了研究，給出了激光束準(zhǔn)直、整形、聚焦及耦合的高功率半導(dǎo)體的光纖耦合方法，其耦合效率大于 53%。同年 ，西安電子科技大學(xué)對“大功率半導(dǎo)體激光整形技術(shù)”進行了研究。該器件對光束發(fā)散進行壓縮，得到7mm 7mm 的正方形均勻光斑，并且光強起伏小于 5%，在此范圍內(nèi)光能量占總的輻射能量的 77%。同年，西安電子科技大學(xué)物理學(xué)院還對“雙半圓柱透鏡準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光光束”進行了研究，理論上可將激光束 快軸方向發(fā)散角壓縮到 的量級。采用一種等腰直角棱鏡組的整形方法，可實現(xiàn)二維方向的光束質(zhì)量均勻化 [3] 。經(jīng)過整形的半導(dǎo)體激光器可以作為高功率固體激光器和光纖激光器的抽運源使用。 圍繞上述主題思想，本文的具體章節(jié)安排如下： 第一章： 對 本論文的選題目的 及 研究意義 做簡單介紹。 第三章 ： 主要 分析 半導(dǎo)體激光器的光束準(zhǔn)直理論 。 第 五 章：全文總結(jié)。 1． 5 本章小結(jié) 本章 介紹了進行“ 基于 980nm 半導(dǎo)體激光器 光束準(zhǔn)直系統(tǒng) 的 設(shè)計”選題的 目的 和研究意義。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 9 頁 共 34 頁 2 半導(dǎo)體激光器 2． 1 半導(dǎo)體激光器 的基本 原理 半導(dǎo)體激光器是利用半導(dǎo)體中的電子光躍遷引起光 子 受 激輻射而產(chǎn)生的光振蕩器和光放大器的總稱。在正常狀態(tài)下，電子處于低能級 1E ，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級 2E 上，這種躍遷稱為受激吸收。在高能級 E2 的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級 1E 上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。 在半導(dǎo)體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能帶。 依照量子理論，在 熱平衡狀態(tài)下 電子按能量分布遵從 費 米 狄拉克 分布 ： ? ??????? ???TEEke xp11Epf （ ） 其中 k為波茲曼常數(shù)， T 為熱力學(xué)溫度。 高能級占有的電子數(shù)比低能級的電子數(shù)少，因此總的來說光被吸收。這就是激光作用的基本原理。要使激光器得到相干的、受激光輸出，須滿足 兩個條件，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件與閾值條件。達到這一條件，有源工作物質(zhì)就具有增益。 在半導(dǎo)體 PN結(jié)上 施加正向電壓 ， 產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴散增強 [4] 。增 益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 閾值條件為： 211ln21 RRLath ???? () 其中 th? 為閾值增益系數(shù)， a為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)， L為諧振腔的長度，1R 、 2R 1 為兩個反射鏡的反射率 。下面將要介紹幾個典型的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。 1970 年基于此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了 GaAlAs／GaAs 激射波長為 ? m 的半導(dǎo)體激光器在室溫下連續(xù)工作。其結(jié)構(gòu)概略如圖 所示，在正向偏壓下，電子和空穴分別從寬帶隙的 N 區(qū)和 P 區(qū)注入有源區(qū)．它們在該區(qū)的擴散又分別受到PP 異質(zhì)結(jié)和 PN 異質(zhì)結(jié)的限制，從而可以在有源區(qū)內(nèi)積累起產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的非平衡載流子濃度。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁 共 34 頁 圖 雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu) 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成功地解決了在垂直于結(jié)平 面方向?qū)d流子和光子的限制問題。 （ 2） 條形激光器 條形結(jié)構(gòu)是激光器的閾值電流大幅降低 ， 改善了近場與遠場 ， 縱模與橫模特性，提高了器件的可靠性。 實質(zhì)上，它只是限制電流流經(jīng)的通道，這種限制不可避免地存在注入電流的側(cè)向擴展和注入載流子的側(cè)向擴散。依照在橫向利用有源層與兩邊限制層折射率之差所形成的強的光波導(dǎo)效應(yīng)，在平行結(jié)平面方向也設(shè)計了類似的折射率波導(dǎo)。 量子阱半導(dǎo)體激光器 一般的雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度 Jth與有源層厚度的關(guān)系如圖 所示，最佳的有源層厚度在 左右。而過薄的有源層厚度會因為光場滲透逸散致使異質(zhì)結(jié)波導(dǎo)能力減弱，使較多的光子損耗與有源層之外，閾值電流密度增加。 圖 雙異質(zhì)結(jié)激光器中的 Jth與有源層厚度的關(guān)系 60 年代末期，貝爾實驗室的江畸 (Esaki)和朱肇祥首 先提出，當(dāng)所生長的晶體厚度薄到半導(dǎo)體中電子的德布羅意波長 (約為 10nm)或電子平均自由程量級 (約為 50nm)時，這種超薄層晶體中的電子與塊狀晶體中的電子有完全不同的性質(zhì)，即出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)。量子阱是窄帶隙超薄層被夾在兩個寬帶隙勢壘薄層之間。 在 MQW 中 如果各阱之間的如果的電子波函數(shù)發(fā)生一定程度的交疊或耦合，則這樣的MQW 也就是超晶格就猶如在晶體中微觀粒子做周期有序排列一樣。量子阱電吸收調(diào)制器的調(diào)制帶寬可以在 10GHz 以上，而量子阱雪崩光電二極管的增益帶寬積可達 700Hz以上。 從 70 年代末期發(fā)展起來的這種激光器越來越顯示出它的優(yōu)越性。最初采取相通常雙異質(zhì)結(jié)類似的結(jié)構(gòu)，光子振蕩方向平行于襯底，因而稱為平面腔。另一種結(jié)構(gòu)是通過微加工技術(shù)在有源層的一端制成 45o 反射面鏡，反射光從表面輸出，通過控制該面鏡的反射率來控制激光振蕩強度，如圖 (b)所示。況且，布喇格光柵反射光束的方向隨波長變化，而 45o 面鏡結(jié)構(gòu)輸出光束質(zhì)量取決于該鏡的位置、方位和平整度。 2． 3 半導(dǎo)體激光器的優(yōu)缺點 優(yōu)點： （ 1）體積小、重量輕 、價格便宜。 半導(dǎo)體激光器是直接的電子 光子轉(zhuǎn)換器，因而它的轉(zhuǎn)換效率很高。 （ 3）室溫下可連續(xù)震蕩。可以通過選用不同的半導(dǎo)體激光器有源材料或改變多清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 14 頁 共 34 頁 元化合物半導(dǎo)體各組員的組分，而得到范圍很廣的激射波長以滿足不同需要。在這個范圍內(nèi)可以任意選擇激射波長，能夠?qū)崿F(xiàn) 寬帶光放大器。 把信號重疊在驅(qū)動電流上，在直流到 GHz 波段的寬頻范圍內(nèi)，可以調(diào)制振蕩強度、相位和頻率。 用單橫模的激光器可以得到空間上相干性高的輸出光。采用增益開關(guān)和鎖模等方法，以簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就能獲得從 ns 到 ps 的超短光脈沖。 （ 10）可靠性高，使用壽命最長?？梢院凸馓綔y器、光調(diào)制器和電子電路元件集成在一個陳地上，得到高性能的單片集成器件。工作特性與溫度有顯著關(guān)系，環(huán)境溫度變化可引起激射。 （ 3） 容易產(chǎn)生噪聲。 輸出光由端面以放射形式發(fā)出成為發(fā)散光，要獲得平行光必須要有外部透鏡。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15 頁 共 34 頁 3 半導(dǎo)體激光器 的 光束準(zhǔn)直 理論 半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量非常差，所以在半導(dǎo)體激光器的實際應(yīng)用中，對其光束的準(zhǔn)直以提高其光束質(zhì)量是一件非常重要的事情，這也是本文的主要工作。 3． 1 半導(dǎo)體激光器的 光束特性 由于半導(dǎo)體激光器的特殊 結(jié) 構(gòu)，造成了其光束與其他激光極為不同的遠場特性。 （ a）垂直于結(jié)平面方向的光束 （ b）平行于結(jié)平面方向的光束 圖 激光器輸出光束模型 對于一個發(fā)射極而言，由于在平行面方向發(fā)光區(qū)尺寸很大， 大約為 m?500~100 (具體數(shù)值由輸出功率決定 )， 此方向激光器不再會是處于基橫模工作狀態(tài)，在遠場一般表現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu)。 3． 2 高斯 光束 的基本 理論 激光是一種光線束，它的幅射照 度 (或光強 )的分布是呈高斯型的，因此稱之高斯光束。 由于透鏡的變換作用只改變相 位 而不改變光強的分布，因此