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(shí)還具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于激光通信、光存儲(chǔ)、光陀螺、激光打印、測(cè)距以及雷達(dá)等多個(gè)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(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光抽運(yùn)三種方式。
半導(dǎo)體激光器主要優(yōu)點(diǎn)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(chǔ)、光陀螺、激光打印、測(cè)距以及雷達(dá)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(yùn)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(huì)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(dāng)對(duì)二極管注入足夠大的電流后，中間有源區(qū)中電子(帶負(fù)電)與空穴(帶正電)會(huì)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(guò)諧振腔多次反射放大后形成激光。
圖1 半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)
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(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 體積小，重量輕;
(2) 驅(qū)動(dòng)功率和電流較低;
(3) 效率高、工作壽命長(zhǎng);
(4) 可直接電調(diào)制;
(5) 易于與各種光電子器件實(shí)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(diǎn)，半導(dǎo)體激光器自問(wèn)世以來(lái)得到了世界各國(guó)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(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)商用化且產(chǎn)值最大的一類激光器。
半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用
01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(shí)用化光源，光纖通信已成為當(dāng)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(chǔ)器，其最大優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)的聲音、文字和圖像信息量很大。采用藍(lán)、綠激光能夠大大提高光盤的存儲(chǔ)密。
(3)光譜分析。遠(yuǎn)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(cè)大氣污染、汽車尾氣等。在工業(yè)上可用來(lái)監(jiān)測(cè)氣相淀積的工藝過(guò)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(jì)算機(jī)和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。5)激光微細(xì)工。借助于Q開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的高能量超短光沖，可對(duì)集成電路進(jìn)行切割、打孔等。
(5)激光報(bào)警器。半導(dǎo)體激光報(bào)警器用途甚廣，包括防盜報(bào)警、水位報(bào)警、車距報(bào)警等。
(6)激光打印機(jī)。高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于激光打印機(jī)。采用藍(lán)、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(shū)和檔案的管理。
(8)高清晰度激光電視。不久的將來(lái)，沒(méi)有陰極射線管的半導(dǎo)體激光電視機(jī)可以投放市場(chǎng)，它利用紅、藍(lán)、綠三色激光，估計(jì)其耗電量比現(xiàn)有的電視機(jī)低20%。
02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(duì)工業(yè)材料進(jìn)行精確的切割，并且在高頻電路板的加工上，低波長(zhǎng)的紫外激光也有不錯(cuò)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(jiǎn)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(lái)越高，對(duì)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(lái)，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(jí)以上的光纖輸出的半導(dǎo)體激光器可以滿足切割對(duì)光束質(zhì)量的要求。另外，由于半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)的多樣性，短波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)十分接近鋁的波長(zhǎng)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(guò)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(guò)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(shí)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(qiáng)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(guò)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(shí)現(xiàn)減少粉末與集體材料的混合以及更少的熱量輸入，進(jìn)一步提高熔覆工藝的經(jīng)濟(jì)效益。
(5)激光錫焊
錫焊是利用低熔點(diǎn)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(jià)格的進(jìn)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(jìn)，預(yù)計(jì)激光錫焊未來(lái)將逐步替換傳統(tǒng)的烙鐵焊接，得到廣泛的應(yīng)用。
03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(zhǎng)且易于調(diào)制的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于激光制導(dǎo)和激光測(cè)距等領(lǐng)域。簡(jiǎn)單易行，并且取得了不錯(cuò)的效果。現(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(dá)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(biāo)，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(cè)距，主要用于反坦克武器以及航空、航天等領(lǐng)域;激光雷達(dá)，用于監(jiān)測(cè)目標(biāo)，對(duì)來(lái)襲目標(biāo)精確定位以及對(duì)直升飛機(jī)和巡航導(dǎo)彈的地形跟蹤等。制導(dǎo)和測(cè)距等應(yīng)用以大功率脈沖半導(dǎo)體激光器為主，波長(zhǎng)集中在904nm波長(zhǎng)附近，近年來(lái)基于人眼安全考慮，有向長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)展的。
