《半導(dǎo)體激光器技術(shù)發(fā)展國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述》2600字

半導(dǎo)體激光器技術(shù)發(fā)展國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1半導(dǎo)體激光器的發(fā)展激光器的發(fā)展起始于1916年愛因斯坦提出的受激輻射，這一基本概念的提出奠定了后面激光器發(fā)展的理論基礎(chǔ)。四十余年后，即1956年左右，研究人員們才開始對半導(dǎo)體激光器展開研究，并提出了許多合理的想法。1958-1961年，當(dāng)時(shí)的研究人員提出了半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必要條件，并提出了使用半導(dǎo)體材料研制激光器的想法。1962年，同質(zhì)結(jié)GaAs半導(dǎo)體激光器問世，但是GaAs這一物質(zhì)無法在室溫下連續(xù)的受激發(fā)射[2]，導(dǎo)致這一發(fā)明無法在工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，但是這是一個(gè)開創(chuàng)性的研究進(jìn)展，為后續(xù)異質(zhì)結(jié)半半導(dǎo)體激光器的研究奠定了基礎(chǔ)。1963年，研究人員們針對同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器存在的無法在室溫下連續(xù)受激發(fā)射這一問題，提出異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的概念。1967年首個(gè)單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器問世，但是仍未能解決同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器存在的問題，但這一發(fā)展激勵著研究人員向雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器邁進(jìn)。自單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器問世三年之后，在前人研究的基礎(chǔ)下雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器成功被研發(fā)出來，并且很好的解決了同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器無法在室溫下連續(xù)受激發(fā)射這一問題。同年，超晶格量子阱這一概念被首次提出，再次為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展指明了新的方向。1975年，首個(gè)量子阱激光器研制成功，但是存在諸多缺點(diǎn)，例如無法在室溫下穩(wěn)定振蕩等。1979年，美籍華裔學(xué)者謝肇鑫利用液相外延的方法實(shí)現(xiàn)了室溫下的超量子阱激光器的連續(xù)受激發(fā)射，進(jìn)一步推動了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。1982年，Bell實(shí)驗(yàn)室成功研制出可連續(xù)工作的半導(dǎo)體量子阱激光器，這一研究成果標(biāo)志著量子阱激光器的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的歷程[2]。20世紀(jì)末，在量子阱激光器的研究基礎(chǔ)上，高功率的單量子阱半導(dǎo)體激光器成功被研制出來，使半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬。同時(shí)20世紀(jì)末的研究進(jìn)展也進(jìn)一步為21世紀(jì)半導(dǎo)體激光器的研究指明了發(fā)展方向。中國的激光技術(shù)研究起步較國外的稍晚，但發(fā)展速度快。例如自新中國成立以來短短二十年間，中國首臺單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器便由上海光機(jī)所自主研制成功。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，國內(nèi)對半導(dǎo)體激光器的研究空前發(fā)展，并取得一系列優(yōu)秀的成果，相應(yīng)的半導(dǎo)體激光器的行業(yè)也日漸增多。2半導(dǎo)體激光器的基本類型及其簡單應(yīng)用目前國內(nèi)外半導(dǎo)體激光器的發(fā)展日益進(jìn)步，依據(jù)封裝形式的不同可以將半導(dǎo)體激光器分為單管、線陣和面陣三種類型。單管半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只存在一個(gè)發(fā)光單元，因而輸出功率一般比較低[3]，但由于單管之間不存在緊密排列的結(jié)構(gòu)，熱量擾動會比較低，使得單管半導(dǎo)體激光器具有優(yōu)良的散熱性能。線陣（Bar條）半導(dǎo)體激光器是由多個(gè)單管發(fā)光單元構(gòu)成的的一維陣列，與單管的相比較，輸出功率大幅度提升，但是由于多個(gè)單元線陣之間存在嚴(yán)重的熱串?dāng)_效應(yīng)[2]，使得激光線陣的散熱性能較差工作穩(wěn)定性及使用壽命會有所降低。面陣半導(dǎo)體激光器是由多個(gè)發(fā)光單元組成的二維陣列，是由若干Bar條在快軸方向上堆積而成[3]，發(fā)光單元較線陣更多，輸出功率更高，相應(yīng)的在密集排列下熱效應(yīng)也會更高。但是其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，更為容易進(jìn)行封裝。如今的半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域[4]，例如在醫(yī)療領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器在腫瘤科、眼科、血管科等都有廣泛的應(yīng)用，在眼科半導(dǎo)體激光器可用于治療近視眼以及青光眼等[5]，通過使用不同波段的激光對眼睛進(jìn)行刺激可以達(dá)到治療不同眼科疾病的作用。在軍事領(lǐng)域半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)適用于激光制導(dǎo)等，利用激光獲得制導(dǎo)信息或者調(diào)控制導(dǎo)指令，進(jìn)而達(dá)到操縱導(dǎo)彈的目的[5]。在工業(yè)領(lǐng)域上由于半導(dǎo)體激光器出射激光具有高亮度性和高能量性等特點(diǎn)[6]，在激光清洗、激光切割以及激光焊接等工業(yè)加工方面有著廣泛的應(yīng)用。激光清洗是利用半導(dǎo)體激光光束照射固體表面上的雜質(zhì)進(jìn)而去除表面雜質(zhì)的過程，激光能量較低時(shí)，激光能量加熱雜質(zhì)使雜質(zhì)蒸發(fā)或升華進(jìn)行除去；激光能量較高時(shí)，雜質(zhì)通常會轉(zhuǎn)換為等離子體除去。激光切割是利用高功率密度的激光光束照射被切割材料表面，使材料被加熱至汽化溫度而蒸發(fā)，由于激光的光斑較小，材料汽化后的凹槽寬度也較小，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的切割；激光焊接是采用激光光束加熱待加工表面，使工件表面熔化，形成特定的熔池，冷卻后需要焊接的工件表面凝固在一起，可以通過調(diào)控激光脈沖的的寬度、峰值功率密度等參數(shù)調(diào)節(jié)加熱的范圍。3國內(nèi)外對半導(dǎo)體激光器與光纖耦合技術(shù)的研究自半導(dǎo)體激光器問世以來，短時(shí)間內(nèi)得到快速的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)需求。然而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在醫(yī)療、軍事以及工業(yè)領(lǐng)域上對半導(dǎo)體激光器的功率提出了更高的要求，單個(gè)半導(dǎo)體激光器已經(jīng)不能滿足當(dāng)今社會發(fā)展的需求。從而推動了輸出功率較高的陣列半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，為提高輸出光束功率密度，進(jìn)一步推動了陣列半導(dǎo)體激光器與光纖耦合技術(shù)的研究。光纖具有十分優(yōu)良的特性，在通信、傳感以及能量傳輸領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用，隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光與光纖耦合器件逐步應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[7]。例如在工業(yè)領(lǐng)域，采用光纖耦合技術(shù)可以有效的提高激光輸出的功率密度、改善光束特性，從而提高工業(yè)生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量；在醫(yī)療領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的激光手術(shù)相比較，經(jīng)過光纖耦合可以自由的控制輸出激光的功率密度大小，提高使用激光進(jìn)行治療的靈活性和安全性[7]；在通信領(lǐng)域可以有效的提高激光光束的傳輸距離，降低傳輸之間的耦合損耗，提高信息傳輸容量。除此之外，激光與光纖的耦合技術(shù)在軍事領(lǐng)域也有較為廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器與光纖耦合技術(shù)的發(fā)展可以追溯到上世紀(jì)的80年代，1986年H.Ueno和M.Toyama首次使用折射透鏡將激光耦合進(jìn)入單模光纖中，所得的耦合效率較低，同年KenjiKawano使用球面透鏡和自聚焦透鏡進(jìn)行組合作為激光與光纖的耦合系統(tǒng)，得到了良好的耦合效率[7]。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，目前，國內(nèi)外半導(dǎo)體激光器陣列光纖耦合模塊技術(shù)已經(jīng)十分成熟。例如德國的DirectPhotonicsIndustrie采用階梯反射鏡合束技術(shù)將多個(gè)單管半導(dǎo)體激光器合束后再耦合進(jìn)入光纖中，準(zhǔn)直合束效率高達(dá)95%，耦合效率大于80%；美國的nLIGHT公司采用垂直堆棧合束技術(shù)將每只單管半導(dǎo)體激光器快慢軸方向準(zhǔn)直后耦合進(jìn)入光纖中，大大提高了耦合效率[8]。國內(nèi)半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合研究起步稍晚，但是后勁強(qiáng)，短時(shí)間內(nèi)便追上了國外的研究。目前在國內(nèi)的主要研究單位有中科院長春光機(jī)所、大族天成半導(dǎo)體技術(shù)有限公司、北京凱普林公司、西安炬光科技股份有限公司、長春理工大