山东建筑大学毕业论文
p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。
要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大（如30000A/cm2）。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。
半导体激光器结构。如图为结构图，其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。
半导体激光器的光学谐振腔是
半导体激光器的结构图
利用与p-n结平面相垂直的自然解理面（110面）构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95％以上的反射率。一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合 2.2.2半导体激光器的工作特性
半导体激光器的工作特性中，当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。影响阈值的几个因素有：
①晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。
②谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。 ③异质结阈值电流比同质结低得多。 ④温度愈高，阈值越高。
由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发
5
山东建筑大学毕业论文
散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°左右。 2.2.3半导体激光器的调制特性
激光具有极好的时间相干性和空间相干性，它与无线电波相似，易于调制，且光波的频率极高，能传递信息的容量很大。加之激光束发散角小，光能高度集中，既能传输较远距离，又易于保密。因而为光信息传递提供了一种理想的光源。
把欲传输的信息加载于激光副射的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置称为激光调制器，由已调制的激光辐射中还原出所加载信息的过程则称为解调。由于激光起到“携带”信息的作用，所以称其为载波。通常将欲传递的信息称为调制信号。被调制的激光称为已调波或调制光。
激光调制与无线电波调制相类似，激光振荡的瞬时电场也可表示为：
e(t)=Acos(wt+ψ)
式中A为激光振荡的复振幅，w为调制的角频率，ψ为调制的相位角。模拟激光调制可分为调幅、调频和调相等类型。按载波的振荡输出方式不同又可分为连续调制、脉冲调制和脉冲编码调制等。脉冲调制主要分为脉冲调幅（PAM）、脉冲强度调制（PIM）、脉冲调频（PFM）、脉冲调位（PPM）及脉冲调宽（PWM）等类型。脉冲编码调制（PCM）是先将连续的模拟信号通过抽样、量化和编码，转换成一组二进制脉冲代码，用幅度和宽度相等的矩形脉冲的有、无来表示，再将这一系列反映数字信号规律的电脉冲加在一个调制器上以控制激光的输出。这种调制形式也称为数字强度调制。 2.2.4半导体激光器的调制方式
半导体激光器的激光调制分为内调制和外调制两类。间接调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制。
直接调制是指加载的调制信号在激光振荡的过程中进行，以调制信号的规律去改变振荡的参数，从而达到改变激光输出特性实现调制的目的。
由于直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点，是低速光纤通信中最常采用的调制方式，但只适合用于半导体激光器和发光二极管，这是因为发光二极管和半导体激光器（对激光器来说，阈值以上部分）基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈线性，所以可以通过改变注入电流来实现光强度调制。直接调制的带宽：因为半导体激光器的结电容特性，并不能理想
6
山东建筑大学毕业论文
工作，激光器对于不同的输入频率，响应并不相同，一般频率越高，输出的光强调制振幅越小。 2.3半导体激光器的特点
由于半导体激光器的体积小、重量轻、结构简单、光波长可调能量低、寿命较长、易于调制以及价格低廉等优点,使得它已在激光技术中占有显赫的地位,它的成功应用已遍及电子学以及激光光谱学等许多重要领域。其中VCSEL型半导体激光器,由于单纵模、波长可连续调谐、无模式跳跃、波长分布范围广等特点,很适合各种气体的激光光谱学研究。垂直腔面发射激光器VCSEL有如下特点：
(1)易于实现二维平面和光电集成:单个VC2SEL激光器仅几微米大小,有可能在1cm2的芯片上集成百万个这种微型激光器。
(2)圆形光束易于实现与光纤的有效耦合:VCSEL有径向对称的高斯近场分布。因而它们更容易耦合到光纤或光学器件上芯片生长后无须解理、封装即可进行“在片”实验,制作工艺简单,制作成本低。
(3)在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作。 (4)光束发散角较小,约为5°。
(5)有源区尺寸极小,因而可实现低阈值电流。
目前,高功率半导体激光器的主要市场是泵浦固体激光器、材料加工、印刷业和医学应用等领域。在需求牵引下,高功率半导体激光正在向高平均功率、高功率密度、高光束质量、高效率、低成本和长寿命方向发展。半导体激光器的研究和开发始终与军用和民用市场紧密相联,通过采用先进的工艺和技术,新型高功率半导体激光器将层出不穷。
7
山东建筑大学毕业论文
3半导体激光器的应用
3.1半导体激光器在激光光谱学中的应用
激光光谱具有广泛的应用范围,如从分子光谱、等离子物理、高阶谐波产生的科学应用到大气污染的监测及癌症的诊断等。半导体激光器在激光光谱学中有较多优势，用于激光光谱学的半导体激光器有一个重要的特点就是可协调性。其波长可通过改变温度或改变驱动电流来调谐。另外高灵敏度，高选择性可以减少谱线重叠,增加选择性。。半导体激光器还可用调制技术够减少激光的过量噪声。例如下图即为“SPECDILASV—763—OXY\所探测的O2吸收光谱(半导体激光器的工作温度Top=10℃,Iset=4.6mA,加32Hz,10.6mV的锯齿波,256次平均)。可以看出,通过改变工作电流很容易地得到O2的两个吸收峰,无模式跳跃。
VCSEL激光器的波长范围为1.3～2μm,可调谐波长范围为3nm,主要用于光纤通信技术气体监测。由于VCSEL激光器和DFB激光器能够实现单纵模特性,因此它们常应用在激光光谱学中尤其是气体的测量中。 3.2半导体激光器在光固化快速成型中的应用
光固化成型技术（SLA）是由CharlesHull在1984年发明并申请的专利。光固化快速成型制造技术不同于传统的材料去除制造方法，成型原理如图所示。液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下快速固化。成型开始时，可升
8
山东建筑大学毕业论文
降工作台使其处于液面下一个层厚的地方。聚焦后的紫外激光束在计算机的控制下按截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态树脂固化，形成该层面的固化层。然后工作台下降一层高度，其上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层的扫描固化，与此同时新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直到整个产品完成。
紫外半导体激光器技术的发展，为SLARPT提供了最好的光源，在电光效率、成本、体积、寿命和可靠性等指标上堪称最优，在光谱、谱线宽度、功率等性能方面也完全符合SLA的工艺要求，因此现在进行这种新型能量源的研究已成为现实。这种新颖能量源具有以下优点:
(1)LD比He-Cd气体激光器寿命长、工作可靠，且体积小易于实现装置小型紧凑,使SLARP设备成为一种桌面式三维打印系统的设想成为现实。
(2)LD在低电压下工作，有利于设备的安全操作；其电光转换效率比He-Cd气体激光器高很多，有利于节能。
(3)随着半导体激光器技术的发展，紫外半导体激光器已有产品问世，许多公司的CUBE375-8E和Radius375-8均可满足要求。形成新的光源模块后直接与现有SLA系统集成，可较大幅度地降低系统成本，项目风险也小。 3.3大功率半导体激光器的军事应用
随着激光技术的日趋成熟和应用领域的不断拓展。由于半导体激光器具有结构简单、体积小、寿命较长易于调制及价格低廉等优点使得半导体激光器在在军事中得到广泛应用，如激光制导跟踪便是从制导站的激光发射系统按一定规律向空间发射经编码调制的激光束,且光束中心线对准目标;在波束中飞行的导弹,当其位置偏离波束中心时,装在导弹尾部的激光接收器探到激光信号,经信息处理后,弹上解算装置计算出弹体偏离中心线的大小和方向,形成控制信号;再通过自动驾
9