激光与半导体光源

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半导体激光治疗仪工作原理

半导体激光治疗仪工作原理半导体激光治疗仪是一种利用激光光源进行医疗治疗的设备，常用于皮肤美容、生物医学和物理治疗等领域。

其工作原理涉及到激光的生物效应和治疗机制。

以下是半导体激光治疗仪的一般工作原理：1.激光发射：半导体激光治疗仪使用半导体激光器（如激光二极管）作为光源。

当电流通过半导体激光器时，会激发半导体内的电子，导致光子的产生，从而产生激光。

2.激光特性选择：激光器产生的激光具有单色性、相干性和方向性。

这使得激光能够以高度聚焦的方式传递到治疗区域，同时减少对周围组织的影响。

3.生物效应：激光在生物组织中的作用可以通过光生物学效应来解释。

这包括光热效应（光能被组织吸收并转化为热能）、生物刺激效应（对生物体细胞和组织有促进作用）、生物抑制效应（对生物体细胞和组织有抑制作用）等。

4.治疗目标选择：半导体激光治疗仪的治疗目标通常是生物体组织中的某些分子或细胞。

不同的波长和能量的激光可以选择性地影响不同的生物分子，实现不同的治疗效果。

5.治疗过程：在治疗过程中，患者暴露于激光束中，激光通过皮肤表面，照射到目标组织。

激光的能量被目标组织吸收，从而引起一系列生物效应，如促进细胞代谢、减轻炎症、促进愈合等。

6.控制参数：半导体激光治疗仪通常具有可调节的参数，如激光功率、脉冲频率、脉宽等，以便医疗专业人员根据患者的具体情况进行个性化的治疗。

总体而言，半导体激光治疗仪通过激光的生物效应，以非侵入性的方式对生物组织进行治疗。

然而，在实际应用中，具体的治疗机制和效果会受到多种因素的影响，包括激光参数的选择、治疗区域的性质等。

因此，在使用半导体激光治疗仪时，需要经过专业人员的评估和指导。

半导体激光器的工作原理及应用

半导体激光器的工作原理及应用摘要：半导体激光器产生激光的机理，即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。

由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。

从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。

关键词：受激辐射；光场；同质结；异质结；大功率半导体激光器The working principle of semiconductor lasers and applications ABSTRACT: The machanism of lasing by semiconductor laser,which requires set up specially designated reverse of beam of particles among energy stages,and appropriate optical syntonic coelenteronAs the specificity of structure from semiconductor and moving electrons.something interesting happens.On the one hand,the specific process in producing lase,on the other hand,the beam of light has unique advantages。

As the reasons above,we can easily found it all quartersof the society.From homojunction to heterojunction,from informatics to power,the advantages of laser are in evidence,the wide spectrum,the semiconductor open the epoch in the process of laser. Key worlds: stimulated radiation; optical field; homojunction; heterojunction; high-power semiconductor laser 0 前言半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。

半导体激光白光光源研究进展

第３６卷㊀第３期２０２１年３月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀C h i n e s e J o u r n a l o fL i q u i dC r y s t a l s a n dD i s p l a ys ㊀㊀㊀㊀㊀V o l ．３６㊀N o ．３㊀M a r ．２０２１㊀㊀收稿日期:２０２１Ｇ０９Ｇ０７;修订日期:２０２１Ｇ０９Ｇ３０．㊀㊀基金项目:海南省自然科学基金(N o ．２０１５１０１３);国家重点研发计划(N o ．２０１８Y F C １４０７５０３);校科研启动基金(N o ．K Y Q D (Z R )１８５３)S u p p o r t e db y N a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fH a i n a nP r o v i n c eo fC h i n a (N o ．２０１５１０１３);N a t i o n a lK e y Re Ｇs e a r c ha n dD e v e l o p m e n tP r o g r a m (N o ．２０１８Y F C １４０７５０３);S c i e n t if i cR e s e a r c hF o u n d a t i o nf o rU n i v e r s i t y(N o ．K Y Q D (Z R )１８５３)㊀㊀∗通信联系人,E Ｇm a i l :l i u x m＠h a i n a n u ．e d u ．c n文章编号:１００７Ｇ２７８０(２０２１)０３Ｇ０３７１Ｇ０８半导体激光白光光源研究进展江子琦,刘晓梅∗,柳㊀华,彭㊀鹏(海南大学机电工程学院,海南海口５７０２２８)摘要:激光作为人造光源,因其具有单色性良好㊁方向性强㊁相干性强㊁亮度高及能量密度高等优点,在激光显示㊁激光照明等领域得到了广泛的应用.自半导体激光器问世以来,其发展之快㊁成果之多㊁应用之广使其几乎占据激光市场的半边天 ,它不仅能作为信息载体,也能作为能量载体.伴随半导体激光器发展的深入和市场需求的变化,利用半导体激光合成白光光源成为研究热点.半导体激光白光光源的出现不仅拓展了激光应用的新领域,也为很多新技术的诞生奠定了基础.本文主要介绍了半导体激光白光光源的产生过程和其中的技术难点,总结了近些年国内外对于合成半导体激光白光光源的研究进展,分析了其应用及发展短板,最后对未来半导体激光白光光源是否能在水下复杂环境中稳定输出进行了展望.关㊀键㊀词:半导体激光;白光光源;光学系统;水下激光成像中图分类号:T N ２４９㊀㊀文献标识码:A㊀㊀d o i :１０．３７１８８/C J L C D．２０２０Ｇ０２２５D e s i g no f s e m i c o n d u c t o r l a s e rw h i t e l i gh t s o u r c e s J I A N GZ i Ｇq i ,L I U X i a o Ｇm e i ∗,L I U H u a ,P E N GP e n g(C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ,H a i n a nU n i v e r s i t y ,H a i k o u ５７０２２８,C h i n a )A b s t r a c t :A s a na r t i f i c i a l l i g h t s o u r c e ,t h e l a s e r h a s t h e a d v a n t a g e s o f g o o dm o n o c h r o m a t i c i t y ,s t r o n gd i re c t i v i t y ,s t r o n g c o h e r e n c e ,h i g hb r i g h t n e s s ,a n d h i g h e n e r g y d e n s i t y ．T h e r ef o r e ,i t h a s b e e nw i d e l yu s e d i n l a s e r d i s p l a y ,l a s e r l i g h t i n g an d o t h e r f i e l d s ．S i n c e t h e s e m i c o n d u c t o r l a s e rw a s i n v e n t e d ,i t h a s o c c u p i e d a l a r g e p a r t o f t h e l a s e rm a r k e t b e c a u s eo f i t s r a p i dd e v e l o p m e n t ,m u l t i pl e r e s u l t s a n dw i d e a p p l i c a t i o n ．I t c a nb e u s e d n o t o n l y a s a n i n f o r m a t i o n c a r r i e r b u t a l s o a s a n e n e r g y ca r r i e r ．W i t h t h e i n Ｇd e p t hd e v e l o p m e n t o f s e m i c o n d u c t o r l a s e r s a n dc h a n g e s i n m a r k e t d e m a n d ,t h e r e s e a r c ho nt h e s yn Ｇt h e s i s o fw h i t e l i g h t s o u r c e s t h r o u g hs e m i c o n d u c t o r l a s e r sh a sb e c o m eah o t s p o t ．T h ee m e r g e n c eo f s e m i c o n d u c t o r l a s e rw h i t e l i g h t s o u r c eh a sn o t o n l y e x p a n d e dn e wa r e a s o f l a s e r a p p l i c a t i o n sb u t a l s o l a i d t h e f o u n d a t i o nf o r t h eb i r t ho fm a n y n e wt e c h n o l o g i e s ．T h i sa r t i c l e m a i n l y i n t r o d u c e sh o wt h e s e m i c o n d u c t o r l a s e r w h i t el i gh ts o u r c ei s p r o d u c e da n dt h ed i f f i c u l t i e si nt h e p r o d u c t i o n p r o c e s s ．T h e n ,i t s u mm a r i z e s t h e r e s e a r c h p r o g r e s s o f s y n t h e t i c s e m i c o n d u c t o r l a s e rw h i t e l i g h t s o u r c e a t h o m e a n d a b r o a di nr e c e n t y e a r s ,a n da n a l y z e s i t sa p p l i c a t i o nl i m i t a t i o n sa n dd e v e l o p m e n ts h o r t c o m i n gs ．. All Rights Reserved.F i n a l l y,w e l o o k f o r w a r d t ow h e t h e r t h e s e m i c o n d u c t o rw h i t e l a s e r l i g h t s o u r c e c a n b e s t a b l y o u t p u t i n t h e c o m p l e xu n d e r w a t e r e n v i r o n m e n t．K e y w o r d s:s e m i c o n d u c t o r l a s e r;w h i t e l i g h t s o u r c e;o p t i c a l s y s t e m;u n d e r w a t e r l a s e r i m a g i n g１㊀引㊀㊀言１９６０年,第一台激光器问世.伴随着激光技术的创新和发展,激光器在我们的日常生活及科技发展等领域扮演着越来越重要的角色.从气体激光器到半导体激光器再到光纤激光器和飞秒脉冲激光器,激光的光束质量㊁脉冲宽度㊁输出功率㊁时空相干性等性能得到了极大的提升.激光白光光源作为新兴的激光光源,是通过激光来产生高亮度白光的一种照明光源技术[１Ｇ２],具有频率覆盖范围广㊁亮度高㊁功率峰值高㊁方向性强㊁工作寿命长㊁空间相干性和时间相干性强等优点,在科研国防㊁照明显示㊁通讯信息㊁医学检测㊁工业生产等领域都发挥了其实际作用.与单色激光相比,激光白光光源因能覆盖可见光谱所有波长,克服了激光单色性给激光发展应用带来的限制,成功将激光技术应用于激光照明和激光显示领域并展现了巨大的发展潜力.与此同时,因光子可携带更多的信息和能量,使得激光白光光源在光通信及高功率切割中也具有广阔的应用前景.２０世纪６０年代以来,半导体物理学的发展推动了半导体激光器的快速发展.半导体激光器因具有体积质量小㊁使用寿命长㊁结构简单㊁易于实现光电子集成和电光转换效率高等优点,成为世界上发展最快并成功实现商业化的一类激光器.随着半导体激光器发展的深入和市场需求的变化,利用半导体激光合成白光光源成为研究热点.目前,半导体激光白光光源的合成方案主要有两种:一种为红绿蓝３基色激光合成;另一种则是单色激光激发荧光材料转换.前者虽容易获得电光转换效率高且显色性好的白光光源,但存在白光输出功率低,成本高的问题;后者是基于混色原理所得,虽无散斑现象且成本低㊁工艺简单,但荧光材料存在的斯托克斯损耗使电光转换效率降低,输出白光的某些激光特性被削弱,如准直性㊁能量密度等.如何产生稳定高输出功率及色温接近于标准白光的半导体激光白光光源是需要重点解决的问题.分析和掌握各种激光白光光源的原理㊁性能和特点,有利于促进激光技术的应用,使其在更多的领域发挥更好的作用,创造更高的价值.２㊀国内外发展现状２．１㊀国外研究现状２００５年,日本N i c h i a公司在F P D研讨会上公布了利用半导体激光器获得白光输出的消息.他们分别使用了波长为４４５n m的G a N基半导体激光器和波长为４０５n m的蓝紫光半导体激光器.G a N半导体激光激发黄色荧光粉后的白光显色指数R a为７２,短波的蓝紫光半导体激光激发多种荧光材料后白光显色指数R a提高至８６[３].两年后该公司用５００mW半导体激光器激发荧光粉获得了光通量为９６l m的白光光源[４].２００８年,日本科学家S．S a i t o在注射电流为１A的情况下,利用４０５n m的G a N基半导体激光器激发荧光粉得到了光通量２００l m和光效为４２l m/W的白光光源,其电光转换效率达到了４０％[５].２０１０年,韩国I n h a大学的R y u等采用了N i c h i a公司相同的方法,他们将４４５n m的半导体激光耦合进４００μm的塑料光纤中,让激光激发涂在光纤另一头的Y A G黄色荧光粉.当注入电流达０．１A时,得到了光通量５l m和光效为１０l m/W的白光光源.作者认为造成光效低的主要原因是实验中激光器的效率仅为８．５％,其次在蓝光激发荧光粉时的斯托克斯损耗达２０％[６].２０１１年,美国桑迪亚国家实验室利用４台独立的大型激光器实现了高质量的白光激光输出,但由于体积太大限制了其在照明或显示等领域的应用[７].２０１３年,K r i s t i n[８]等通过４０２n m的近紫外半导体激光器激发红㊁绿㊁蓝３原色荧光粉和４４２n m的蓝光半导体激光器激发Y A GʒC e黄色荧光粉,得到了不同C I E指标的白光光源.相比之下,蓝光激发黄色荧光粉得到的白光发光效率更高,但是显色性较差.２７３㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷㊀. All Rights Reserved.２０１５年,日本S h i n g o等人通过氮化物Ｇ蓝色半导体激光器和黄色荧光材料的组合得到了光通量为２５０l m的白光[９].２０１６年,C．F o u c h e r等人将红㊁绿㊁蓝３种D F B激光器采用两种放置方式(相邻和垂直)放置在超薄柔性玻璃基板上得到了４２μJ/c m２的白光激光输出[１０].２０１７年,C h a n g m i nL e e等人采用近紫外激光器激发红绿蓝３色荧光粉实现了大于１G b i t/s 的数据速率,产生了显色指数７９㊁色温４０５０K的白光[１１].与使用蓝色激光器和Y A GʒC e荧光粉相比,该系统能同时满足高质量照明和高速低噪声通信的要求.２．２㊀国内研究现状２００８年,X u等[１２Ｇ１３]利用４０５n m近紫外半导体激光分别激发红㊁绿㊁蓝３基色荧光粉和黄色与红色混合的荧光粉的方式获取白光.实验结果显示,当注入电流都为０．８A时,采用４０５n m近紫外半导体激光激发黄色与红色的混合荧光粉得到的白光质量更佳,此时白光的光通量为５．７l m,光效为１３l m/W,色温５２００K,显示指数达７０.２０１４年,电子科技大学罗智田等[１４]使用４５０n m半导体蓝色激光激发Y A G黄色荧光粉实现白光输出,并研究了掺Y A G荧光粉的氮化物红色荧光粉.结论是随着氮化物红色荧光粉的含量增多,输出白光源的显色指数也随之增多至出现峰值,显色指数最高可达６９．３.２０１７年,Y iY a n g等人[１５]设计了一款小尺寸的半导体激光驱动荧光粉板获取白光的装置,无需远程荧光粉配置.当驱动电流为３A时,得到了光通量８５０l m,色温６９９０K,最大光效７０l m/ W的白光.但是由于此装置的尺寸过小,限制了其应用场景.２０１８年,Y a n g等[１６]使用６３８n m的红光㊁５２０n m的绿光和４５０n m的蓝光合成了高均匀的白光,设计了一种微透镜阵列光束均匀化系统以实现白光的均匀化处理,最终得到了显色指数６４８,色温５１７１K,光照强度ˑ１０４l x的白光,并且证明了基于R G B３基色激光器合成白光的光学系统可实现高数据速率可见光通信和高质量照明的潜力.同年,颜博霞[１７]等人使用红绿蓝三基色激光器合成白光,通过颜色配比㊁光纤合束,得到了色温略低于理论值约１５％的白光激光输出.其中红光和蓝光都采用半导体激光器,而绿光采用固体倍频绿光激光器.由于固体倍频绿光激光器本身的特性相干性太强,很容易产生散斑并影响照明或视觉效果.２０１９年,田景玉等[１８]使用高功率三色半导体激光器直接用作白光合成光源.产生的６４８０K色温大约等于６５００K的标准白光色温,输出达到５８．４W.另外,这种结构允许通过电流直接调节三基色激光器的功率比.该研究直接使用半导体激光束耦合技术用于开发白光照明源要比采用倍频蓝光㊁绿光光源更具优势.３㊀半导体激光获取白光光源的方案３．１㊀单色激光利用荧光材料转换３．１．１㊀蓝色激光激发黄色荧光功能材料转换该方案的原理如图１所示,即蓝色激光器所发射出的部分蓝色激光投射于黄色荧光粉上并被黄色荧光粉吸收后发射出黄色光,再与未被荧光粉吸收的蓝光混合形成白光.为了提高色彩还原度及减少色彩校正过程中的亮度损失,也可将红色激光器与蓝色激光器配合使用.图１㊀蓝色激光激发黄色荧光粉转换成白光原理图F i g．１㊀S c h e m a t i cd i a g r a m o fb l u e l a s e re x c i t i n g t h ey e l l o w p h o s p h o r t o c o n v e r t i n t ow h i t e l i g h t ３．１．２㊀近紫外激光激发三原色荧光功能材料转换㊀㊀该方案是由蓝色㊁黄色荧光粉和近紫外激光来完成的,原理如图２所示.近紫外激光被蓝色荧光粉吸收后发射出蓝光,之后黄色荧光粉将部分蓝光吸收发射出黄光,得到的蓝光和黄光混合最终完成白光的获取.这种方法色彩还原度高,但是使用多种荧光粉会造成光源不３７３第３期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀江子琦,等:半导体激光白光光源研究进展. All Rights Reserved.稳定[１９],在转换过程中斯托克斯损耗的能量也更多.图２㊀近紫外激光激发三原色荧光材料原理图F i g ．２㊀S c h e m a t i c d i a gr a mo f n e a r Ｇu l t r a v i o l e t l a s e r e x c i Ｇt a t i o n o f t h r e e p r i m a r y c o l o r f l u o r e s c e n tm a t e r i Ｇa l s这两种方案都是基于混色原理所得,借鉴了白光L E D[２０Ｇ２１]的出光原理,但是与L E D 不同的是,利用激光获取白光光源所需的荧光材料性能要求会更高,以承受激光的冲击.荧光材料的选择直接决定了输出白光光源的质量(亮度㊁色温㊁稳定性等).近年来一些导热性突出的荧光材料迅速发展,如单晶㊁陶瓷等.目前,低功率白光激光照明大多采用荧光粉加树脂硅胶的封装方式,而中高功率的白光激光照明则是优先选择导热性好及生产工艺简易的陶瓷材料[２２].利用半导体激光激发荧光材料的光学系统主要由光束整形模块和荧光体转换模块组成.(a)光束整形模块.此模块是为了对激光进行光纤耦合及准直扩束的操作.光纤耦合能使激光的光纤质量大幅提升,而准直扩束能起到扩大激光激发面积的作用.(b)荧光体转换模块.利用激光激发荧光粉会发生复杂的光学反应,T r a c e p r o 光学仿真软件可以帮助我们分析荧光粉的参数变化对最终输出白光质量的影响,从而确定输出最佳白光质量的荧光粉参数值.３．２㊀红㊁绿㊁蓝三基色激光合成根据三原色原理可知,只需调整红绿蓝三基色的比例,就可以得到自然界中的大多数颜色.因此若能调整好红绿蓝三基色的比例,利用三基色激光合成白光激光是可行的.该方案的实现过程是使用独立的红㊁绿㊁蓝三基色激光器,对发出的３种颜色激光进行颜色功率配比,输出的３种颜色的激光经过空间合束㊁波长合束后耦合进光纤,最终输出白光.此过程颜色的功率配比决定了最后输出白光的色彩与色温等效果.３．２．１㊀合束结构基于红㊁绿㊁蓝三基色激光合成白光的过程如图３所示,３个激光单元各自经过准直后,通过反射镜实现空间合束,再经过两次波长合束实现白光激光的输出.图３㊀红㊁绿㊁蓝三基色激光光纤耦合过程F i g ．３㊀R e d ,g r e e n a n db l u e l a s e r f i b e r c o u p l i n gpr o c e s s ３．２．２㊀功率配比根据三原色原理可知,在确定目标颜色后,即可计算出３种原色的比例,比例的多少通常由颜色的三刺激值来表征.由色度学原理,当将具有已知亮度值和色度坐标的两种或更多种颜色相加并混合时,混合色的亮度和色度坐标可以根据C I E１９３１标准色度系统获得.假定某颜色的三刺激值为X ㊁Y ㊁Z ,色品坐标为(x ,y ),亮度为u ,则三者满足X ＝x y uY ＝u Z ＝z y ＝１－x －y yu ìîíïïïïïï㊀,(１)其中三刺激值与色品坐标之间的关系为:X X ＋Y ＋Z ＝xYX ＋Y ＋Z ＝y Z X ＋Y ＋Z＝z ìîíïïïïïïïï㊀．(２)在将三基色R G B 激光合成白光时,三基色R G B 激光器的波长和亮度已知,设红㊁绿㊁蓝三色色品坐标分别为(x R ,y R ),(x G ,y G ),(x B ,y B ),对应其三刺激值为(X R ,Y R ,Z R ),(X G ,Y G ,Z G ),(X B ,Y B ,Z B ).此时,白光的三刺激值(X ０,Y ０,Z ０)与红㊁绿㊁蓝三基色的三刺激值关系为:X０＝X R ＋X G ＋X B Y ０＝Y R ＋Y G ＋Y B Z ０＝Z R ＋Z G ＋Z Bìîíïïïï．(３)４７３㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷㊀. All Rights Reserved.由式(２)可类比得到白光的色品坐标为:x ０＝X ０X ０＋Y ０＋Z ０y ０＝Y ０X ０＋Y ０＋Z ０ìîíïïïï㊀．(４)假定红㊁绿㊁蓝三色的亮度比为L R ʒL G ʒL B ,由式(１)㊁(３)㊁(４)可得:L R L G L B æèçççöø÷÷÷＝x R y R x G y G x B y B １y R １y G １y B １１１æèççççççöø÷÷÷÷÷÷－１x ０y ０１y ０L ０æèççççççöø÷÷÷÷÷÷,(５)亮度L 与功率P 之间的关系为:L ＝K m V (λ)P ,(６)其中:K m 为光谱光视效能,其值为６８３l m/W ,V (λ)为视见函数.则对于选定的三原色光,其功率之比为:P R ʒP G ʒP B ＝L R V R (λ):L G V G (λ)ʒL BV B (λ)．(７)通过以上过程可求得三原色合成白光时的功率配比.这两种利用半导体激光获取的白光光源都不属于真正意义上的白激光.真正意义的白光激光应具备传统激光除单色性以外的所有激光特性,并且其光谱应和太阳光谱一致.基于多色或单色激光获得的白光光源并没有做到激光进,激光出 ,丧失了很多激光的优良特性,因此不能作为一个独立的㊁真正意义上的白激光.４㊀半导体激光白光光源技术应用４．１㊀激光照明技术早在２０１１年,美国桑迪亚国家实验室通过将４个单色激光合束形成的白光用于照明,测试者无法区分激光形成的白光与L E D 光源及白炽灯光源的区别,这就说明通过多基色或单频激光形成的白光光源呈现出的色彩质量并不会比传统光源差.因此,它消除了人们长期以来的误解,即窄带激光不适用于照明显示.白光激光照明目前主要应用于特种照明㊁车辆照明㊁军事工具照明㊁医疗照明等.自２０１４年以来,宝马㊁奥迪和路虎等车企陆续推出了配备有激光大灯的高端车型[２３],使用激光头灯相比L E D 来说改善了远光照明,照明距离翻倍至６００m ,一定程度地增强了夜间驾驶员的行车安全性,优化了高速驾驶视觉体验.同时,基于数字微反射镜(D M D )装置的新一代数字化汽车照明技术也迫切需要具有高亮度和高流明输出的白光光源[２４].２０１９年,纳丽德公司推出一款白激光手电,实现了白色激光手持照明,且远射距离达１１００m .目前,激光照明技术在产业领域的发展还仅限于利用蓝光半导体激光激发荧光物质而产生白光.相信随着半导体激光白光光源技术的发展,白光激光照明将会在产业领域加速实现.４．２㊀激光显示技术激光显示技术是继黑白显示㊁标准彩色显示㊁数字显示之后的新一代显示技术,具有色域广㊁寿命长㊁环保㊁节能等优点.鉴于激光的高单色性,它可以产生色坐标接近色空间边界的分量色光.因此,激光可以实现比传统显示器(如阴极射线管(C R T )㊁L E D 背光液晶显示器(L C D )或基于宽带非相干光源的有机发光二极管(O L E D ))更宽的色域(超过人眼可感知的所有颜色的９０％),使显示效果及清晰度等都达到极致.此外,由于激光器本身具有高亮度的特征,因此容易实现高对比度,正是这些优点推动了近年来激光显示技术的进步.限于当前绿色和红色半导体激光器的功率和成本等因素,市场上现有的激光显示产品大多数都是通过激光光源和L E D 光源的混合显示产品或激光激发荧光材料来实现的.未来,激光显示器的主要研究和发展方向是将激光用作新型投影光源,向着大屏幕方向的发展以及通过三基色激光束在屏幕上快速扫描进行直接成像,这就要求系统的输出功率㊁色温稳定性达到一定高度.４．３㊀可见光无线通信技术激光不仅是能量的载体,也是信息的载体.作为信息的载体,激光可应用于自由空间的通讯,如太空和海洋内部.由于白色激光具有较宽的通信频带,因此与普通的单色激光器相比,它能携带更多的信息并且特别适合于海洋中潜艇之间的自由空间激光通信.可见光无线通信(L i g h tF i d e l i t y ,L i F i )是使用可见光波谱调制进行数据传输的无线传输技术.由于可见光遍布我们周围,与此同时,L E D 的调制速度比现有的基于微波的W I F I 的调制速度快得多,因此若要通过L I F I 技术高速访问互联５７３第３期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀江子琦,等:半导体激光白光光源研究进展. All Rights Reserved.网,我们需要做的就是升级现有的照明设备.与L E D 相比,激光具有更高的调制速率(通常是L E D 的１０~１００倍),因此更加适合应用于可见光无线通信中.白光激光器具有更多潜在的应用,因为它们可以与多基色激光器结合使用,因此可以与每种原色进行调制和复用以获得更多的通信带宽.随着白光激光照明和显示技术的发展和普及,基于激光白光光源的L I F I 技术有望得到更广泛的推广.５㊀半导体激光白光光源技术应用于水下探测的展望㊀㊀海洋生命的摇篮,约占地球表面积的７１％.在２０世纪中时人类开始探索和利用海洋世界,但目前为止,还有９５％的海底世界是未知的.随着人类对海洋的进一步观测和开发,水下光源的研究不可或缺,目前,水下常用的光源有L E D ㊁卤钨灯㊁激光等.在水下照明领域,国外研究仍遥遥领先.虽然国内在这一领域的发展也今非昔比,但如今我国在进行海洋探测时所需的水下照明光源大部分还依赖于进口.因此,水下光源的研究仍有很大的发展空间.激光和L E D 相比,首先激光的直径要远小于常规L E D ;其次激光的发光效率要远高于L E D ,与此同时激光也不存在效率突然下降的问题,有利于节约电能和增加寿命;再者,激光的亮度衰减更低且能量密度更强;最后,L E D 需要很复杂的冷却系统来解决它的发热问题,而激光的冷却系统相对简单[２５].通常,光束在水下传播１m 的效果相当于在空气介质中传播８００~１０００m [２６].当光进入大海时,海水使光的能量衰减,衰减的主要原因是吸收和散射.在海水中,衰减系数随光的波长而异,但海洋中存在一个类似于大气中的透光窗口,即海水对波长在４７０~５８０n m 波段内的蓝绿光的衰减要比其他光波段小得多,因此蓝绿激光被广泛应用于水下目标的探测及通信.许多国家对蓝绿激光在水下通信㊁测深㊁探测㊁传感等方面投入了大量的人力和物力,研制出了一些典型样机,主要有连续激光行扫描成像系统和脉冲激光行扫描成像系统.前者使用连续绿光(５３２n m )激光器和非选通光电倍增管,后者使用高重频脉冲绿光激光器和定制的选通光电倍增管[２７].虽然蓝绿激光很好地解决了水下探测和通信的问题,并成功在民用和军事领域大放光彩,但由于单色激光的限制,蓝绿激光并不能很好地用于水下目标识别及光谱分析等方面.半导体激光白光光源继承了激光器单色性稳定的特点,显色指数高,覆盖颜色范围达９０％以上,能真实呈现客观世界的颜色,但因白光激光光源的稳定性㊁功率及相关技术的限制,目前将白光激光光源用于水下探测的研究甚少.为了大规模满足半导体激光白光光源能应用于各行业的需求,输出的白光需要具备更高更稳定的功率㊁出色的光束质量㊁更好的光谱特性,同时能保证不同介质中白色激光输出的性能稳定性.目前待解决的问题有:从半导体激光器入手,研发半导体激光器的新材料结构和成熟的激光合束技术;芯片㊁荧光材料的发展和工艺方面的挑战;优化光学系统以实现更优的半导体激光白光光源.随着水下成像技术和半导体激光白光光源的不断发展,半导体激光白光光源很有可能成为影响未来水下探测发展的新一代颠覆性技术.６㊀结㊀㊀论通过对半导体激光白光光源的合成方案及应用难点的分析,对半导体激光白光光源技术应用于水下探测进行了展望,这为后续半导体激光白光光源发展方向提供了参考依据.随着半导体激光白光光源发展的日趋成熟,克服发展瓶颈,使其更好的应用于海洋世界,将为我们探测海洋世界带来极大的便利.如今国内技术还需时间沉淀,技术突破大有希望.我们相信,在不远的将来,随着半导体激光合成白光光源技术的成熟,它将如同激光技术一样,走出实验室,走进我们的生活.参㊀考㊀文㊀献:[１]㊀Y A N G Y ,Z HU A N GSL ,K A IBC ．H i g hb r i g h t n e s s l a s e r Ｇd r i v e nw h i t ee m i t t e r f o rE t e n d u e Ｇl i m i t e da p pl i c a t i o n s ６７３㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷㊀. All Rights Reserved.[J ]．A p p l i e dO pt i c s ,２０１７,５６(３０):８３２１Ｇ８３２５．[２]㊀C A N T O R E M ,P F A F FN ,F A R R E L LR M ,e t a l ．H i g h l u m i n o u s f l u x f r o ms i n g l e c r y s t a l p h o s p h o r Ｇc o n v e r t e d l a Ｇs e r Ｇb a s e dw h i t e l i g h t i n g s y s t e m [J ]．O p t i c sE x pr e s s ,２０１６,２４(２):A ２１５ＧA ２２１．[３]㊀N A R U K AWA Y ,N A G A HAMA S ,MU K A IT ,e ta l ．D e v e l o p m e n to fh i g h Ｇl u m i n a n c ew h i t e l i g h t s o u r c eu s i n g G a N Ｇb a s e d l i g h t e m i t t i n g d e v i c e s [J ]．O y oB u t s u r i ,２００５,７４(１１):１４２３Ｇ１４３２．[４]㊀K O Z A K I T ,N A G A HAMAS I ,MU K A I T．R e c e n t p r o g r e s s o f h i g h Ｇp o w e rG a N Ｇb a s e d l a s e r d i o d e s [C ]//P r o c e e d Ｇi n g s o f S P I E ６４８５,N o v e l I n ＧP l a n eS e m i c o n d u c t o rL a s e r s Ⅳ．S a n J o s e :S P I E ,２００７:６４８５０３．[５]㊀S A I T OS ,HA T T O R IY ,S U G A IM ,e t a l ．H i g h Ｇe f f i c i e n c y G a N Ｇb a s e d l a s e r d i o d e s f o r s o l i d Ｇs t a t e l i g h t i n g [C ]//P r o c e e d i n g s o f ２００８I E E E ２１s t I n t e r n a t i o n a lS e m i c o n d u c t o rL a s e rC o n fe r e n c e ．S o r r e n t o :I E E E ,２００８:１８５Ｇ１８６．[６]㊀R Y U H Y ,K I M D H．H i g h Ｇb r i g h t n e s s p h o s p h o r Ｇc o n v e r s i o nw h i t e l i g h t s o u r c e u s i n g I n G a NB l u eL a s e r d i o d e [J ]．J o u r n a l of t h eO p t i c a lS o c i e t y o f Ko r e a ,２０１０,１４(４):４１５Ｇ４１９．[７]㊀N E UMA N N A ,W I E R E RJ J ,D A V I SW ,e t a l ．F o u r Ｇc o l o r l a s e rw h i t e i l l u m i n a n t d e m o n s t r a t i n g h i g h c o l o r Ｇr e n d e r Ｇi n gq u a l i t y [J ]．O p t i c sE x p r e s s ,２０１１,１９S u p p l ４:A ９８２ＧA ９９０．[８]㊀D E N A U L T K A ,C A N T O R E M ,N A K AMU R AS ,e t a l ．E f f i c i e n t a n d s t a b l e l a s e r Ｇd r i v e nw h i t e l i g h t i n g [J ]．A I P A d v a n c e s ,２０１３,３(７):０７２１０７．[９]㊀MA S U I S ,Y AMAMO T O T ,N A G A HAMAS I ．A w h i t e l i g h t s o u r c e e x c i t e db y l a s e r d i o d e s [J ]．E l e c t r o n i c s a n d C o mm u n i c a t i o n s i nJ a p a n ,２０１５,９８(５):２３Ｇ２７．[１０]㊀F O U C H E RC ,G U I L HA B E R TB ,K A N I B O L O T S K Y AL ,e t a l ．R G Ba n dw h i t e Ｇe m i t t i n g o r g a n i c l a s e r s o n f l e x Ｇi b l e g l a s s [J ]．O p t i c sE x p r e s s ,２０１６,２４(３):２２７３Ｇ２２８０．[１１]㊀L E EC ,S H E NC ,C O Z Z A NC ,e t a l ．G i g a b i t Ｇp e r Ｇs e c o n dw h i t e l i g h t Ｇb a s e d v i s i b l e l i g h t c o mm u n i c a t i o n u s i n g ne a r Ｇu l t r a v i o l e t l a s e rd i o d ea n dr e d Ｇ,g r e e n Ｇ,a n d b l u e Ｇe m i t t i n g p h o s p h o r s [J ]．O p t i c s E x pr e s s ,２０１７,２５(１５):１７４８０Ｇ１７４８７．[１２]㊀X U Y ,C H E NL H ,L IYZ ,e t a l ．P h o s p h o r Ｇc o n v e r s i o nw h i t e l i g h t u s i n g I n G a Nu l t r a v i o l e t l a s e r d i o d e [J ]．A p Ｇp l i e dP h ys i c sL e t t e r s ,２００８,９２(２):０２１１２９．[１３]㊀X U Y ,HU H ,Z HU A N G W ,e t a l ．W h i t e l i g h t e m i s s i o n f r o mu l t r a v i o l e t l a s e r d i o d e [J ]．L a s e rP h y s i c s ,２００９,１９(３):４０３Ｇ４０６．[１４]㊀罗智田．基于半导体激光器的汽车前照灯白光光源研究[D ]．成都:电子科技大学,２０１４．L U OZ T．R e s e a r c ho fs e m i c o n c d u c t o r l a s e rw h i t e l i g h ts o u c e sw h i c hi su s e di nc a rh e a d l i g h t [D ]．C h e n gd u :U n i ve r s i t y o fE l e c t r o n i cS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o fC h i n a ,２０１４．(i nC h i n e s e )[１５]㊀Y A N G Y ,Z HU A N GSL ,K A IBC ．H i g hb r i g h t n e s s l a s e r Ｇd r i v e nw h i t e e m i t t e rf o rE t e n d u e Ｇl i m i t e da p p l i c a t i o n s [J ]．A p p l i e dO p t i c s ,２０１７,５６(３０):８３２１Ｇ８３２５．[１６]㊀Y A N GJ ,L I UZ ,X U EB ,e t a l ．H igh l y u ni f o r m w h i t e l i g h t Ｇb a s e dv i s i b l e l i g h t c o mm u n i c a t i o nu s i n g r e d ,g r e e n ,a n db l u e l a s e r d i o d e s [J ]．I E E EP h o t o n i c sJ o u r n a l ,２０１８,１０(２):８２００５０８．[１７]㊀颜博霞,王延伟,亓岩,等．激光显示光源颜色配比和色温研究[J ]．中国激光,２０１８,４５(４):４０１００４．Y A NBX ,WA N G Y W ,Q IY ,e t a l ．S t u d y o f c o l o r p r o p o r t i o na n d c o l o r t e m p e r a t u r e i n l a s e r d i s p l a y [J ]．C h i Ｇn e s eJ o u r n a l o f L a s e r s ,２０１８,４５(４):４０１００４．(i nC h i n e s e )[１８]㊀田景玉．高功率半导体激光器外腔合束技术及白激光研究[D ]．长春:中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),２０１９．T I A NJY．R e s e a r c h o nh i g h p o w e r d i o d e l a s e r e x t e r n a l c a v i t y b e a mc o m b i n a t i o n a n dw h i t e l a s e r [D ]．C h a n gc h u n :C h a n g c h u n I n s t i t u t e o fO p t i c s ,F i n eM e c h a n i c s a n dP h y s i c s ,C h i n e s eA c ade m y of S c i e n c e s ,２０１９．(i nC h i n e s e )[１９]㊀郭自泉,高玉琳,吕毅军,等．固定相关色温下三基色合成白光L E D 的光谱优化[J ]．光电子激光,２０１１,２２(７):９９２Ｇ９９６．G U OZQ ,G A O YL ,L VYJ ,e t a l ．S p e c t r u mo pt i m i z a t i o n o f t r i Ｇc o l o rw h i t eL E D s a t f i x e d c o r r e l a t e d c o l o r t e m Ｇp e r a t u r e [J ]．J o u r n a l o f O pt o e l e c t r o n i c s L a s e r ,２０１１,２２(７):９９２Ｇ９９６．(i nC h i n e s e )[２０]㊀李飞,夏志国．固态照明用稀土荧光粉和无机量子点:机遇与挑战[J ]．应用化学,２０１８,３５(８):８５９Ｇ８７０．L IF ,X I AZG．R a r e e a r t hd o p e d p h o s p h o r s a n d i n o r g a n i c q u a n t u md o t s f o r s o l i ds t a t e l i g h t i n g :o p p o r t u n i t y an d c h a l l e n g e [J ]．C h i n e s eJ o u r n a l o f A p p l i e dC h e m i s t r y ,２０１８,３５(８):８５９Ｇ８７０．(i nC h i n e s e )７７３第３期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀江子琦,等:半导体激光白光光源研究进展. All Rights Reserved.[２１]㊀王梅芳,周立群,李玲,等．L i ＋,E u ３＋共掺杂L a ２M o O ６红色荧光粉的Pe c h i n i 法合成及近紫外/蓝光激发下的发光特征[J ]．应用化学,２０１５,３２(４):４４７Ｇ４５２．WA N G M F ,Z HO U L Q ,L IL ,e t a l ．S y n t h e s i s o fL i ＋a n dE u ３＋C o Ｇd o p e dL a ２M o O ６re d p h o s p h o r sb y P e c h i n i m e t h o d s a n d i t s p h o t o l u m i n e s c e n c e p r o p e r t i e su n d e rn e a r Ｇu l t r a v i o l e t a n db l u e l i g h t [J ]．C h i n e s eJ o u r n a l of A pＧp l i e dC h e m i s t r y ,２０１５,３２(４):４４７Ｇ４５２．(i nC h i n e s e )[２２]㊀朱宁．白光激光照明对荧光材料的要求[J ]．照明工程学报,２０１８,２９(３):５８Ｇ６１．Z HU N．R e q u i r e m e n t s i d e n t i f i c a t i o no n p h o s p h o rm a t e r i a l s t o l a s e r i l l u m i n a t i o n s y s t e m s [J ]．C h i n a I l l u m i n a t i n gE n g i n e e r i n g Jo u r n a l ,２０１８,２９(３):５８Ｇ６１．(i nC h i n e s e )[２３]㊀凌铭,张建文,黄中荣．汽车灯具的发展趋势[J ]．照明工程学报,２０１３,２４(４):１０６Ｇ１１２．L I N G M ,Z HA N GJW ,HU A N G Z R．D e v e l o p m e n to f a u t o m o t i v e l i g h t a n d l i g h t i n g [J ]．C h i n aI l l u m i n a t i n gE n g i n e e r i n g Jo u r n a l ,２０１３,２４(４):１０６Ｇ１１２．(i nC h i n e s e )[２４]㊀罗德智,牛萍娟,郭云雷,等．汽车前照大灯智能化的现状与发展[J ]．照明工程学报,２０１７,２８(５):７２Ｇ７８．L U O DZ ,N I U PJ ,G U O YL ,e t a l ．T h e p r e s e n t s i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t o f i n t e l l i g e n t h e a d l i gh t o f a u t o m o Ｇb i l e [J ]．C h i n aI l l u m i n a t i n g E n g i n e e r i n g Jo u r n a l ,２０１７,２８(５):７２Ｇ７８．(i nC h i n e s e )[２５]㊀吕伟振,刘伟奇,张大亮．激光与L E D 混合投影光源色度学特性分析[J ]．液晶与显示,２０１５,３０(２):３６９Ｇ３７３．L V W Z ,L I U W Q ,Z HA N GDL ．C o l o r i m e t r i c a n a l y s i s o f l a s e r a n dL E Dh y b r i d p r o je c t i o n s o u r c e s [J ]．C h i n e s e J o u r n a l of L i q u i dC r y s t a l s a n dD i s p l a ys ,２０１５,３０(２):３６９Ｇ３７３．(i nC h i n e s e )[２６]㊀张利,孙传东,何俊华．基于成像自适应光学的水下成像系统研究[J ]．应用光学,２０１０,３１(５):６９０Ｇ６９４．Z HA N GL ,S U NCD ,H EJH．U n d e r w a t e r i m a g i n g s y s t e m b a s e do na d a p t i v eo p t i c s [J ]．J o u r n a l o f A p pl i e d O p t i c s ,２０１０,３１(５):６９０Ｇ６９４．(i nC h i n e s e )[２７]㊀王宇,唐耿彪,肖恒兵,等．水下激光照明成像设备检测方法研究[J ]．中国照明电器,２０１６(１０):４０Ｇ４４．WA N G Y ,T A N G GB ,X I A O H B ,e t a l ．R e s e a r c ho n t e s t i n g m e t h o do f u n d e r w a t e r l a s e r l i g h t i n g a n d i m a g i n ge q u i p m e n t [J ]．C h i n aL i g h t&L i g h t i n g ,２０１６(１０):４０Ｇ４４．(i nC h i n e s e )作者简介:㊀江子琦(１９９６－),女,江西抚州人,硕士研究生,２０１８年于海南大学获得学士学位,主要从事半导体激光白光光源的合成㊁水下成像等方面的研究.E Ｇm a i l :４７４９７２７７５＠q q．c om ㊀刘晓梅(１９８１－),女,吉林镇赉人,博士,讲师,２０１３年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事成像光谱技术㊁光机电一体化等方面的研究.E Ｇm a i l :l i u x m＠h a i n a n u ．e d u ．c n８７３㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷㊀. All Rights Reserved.。

激光的原理特性和应用

第二章激光与半导体光源激光的原理、特性和应用发光二极管与半导体激光器§2-1 激光的工作原理一、光的发射与光的吸收当原子从高能级向低能级跃迁时，将两能级之差部分以光子形式发射出去，称光的发射；当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能级之差部分的光子能量，称光的吸收。

光的发射和吸收过程满足相同的规律：两能级之差决定发射和吸收光子的频率光发射的三种跃迁过程1自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图；2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图；两种辐射过程特点的比较：自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光；受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。

3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受激辐射和受激吸收过程同时存在。

当吸收过程占优势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。

二、粒子数反转与光放大当一束频率为的光通过具有能级E1和E2（假定E2>E1)的介质时，将同时发生受激辐射和受激吸收过程，在dt时间内，单位体积内受激吸收的光子数为dN12，受激辐射的光子数为dN21 ，设两能级上的原子数为N1、N2（正常情况下N2> N1），有dN21/ dN12 =B N2/ N1，比例系数B与能级有关。

1、N2/ N1<1时，高能级E2上原子数少于低能级E1上原子数（称正常分布），有dN21 < dN12，表明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数少于受激吸收的光子数，宏观效果表现为光被吸收。

《激光原理》5-4半导体激光器

图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
③在重掺杂P型半导体中，费米能级向下移到价带中，低于费米能级的能带被电子填满，高于费米能级的能态都是空的，价带中出现空穴——P型简并半导体 (图c);
④在重掺杂N型半导体中，费米能级向上移到导带中，低于费米能级的能带被电子填满，高于费米能级的能态都是空的，导带中也有自由电子——N型简并半导体 (图e);
满带：若能带中各个能级全部被电子填满，则称为满带。非满带：若能带中只有一部分能级填入电子，则称为非满带。空带：若能带中各个能级都没有电子填充，则称为空带。价带：价电子的能级所分裂而形成的能带称为价带。导带：空带和未被价电子填满的价带称为导带。
二、绝缘体、导体和半导体
1、绝缘体
导带（空带）
能带的特征：（1）只有满带和空带；（2）满带和空带之间有较宽的禁带，禁带宽度一般大于3eV。（约3～6 eV）
Si Si Si Si
Si Si
+ B
Si
N型半导体（电子型）：
四价元素Si，Ge，掺五价元素P，Sb，Td
导带施主能级
价带
五价原子将在代替四价元素的原子，多出的一个价电子只在杂质离子的电场
范围内运动。杂质原子称为施主原子，相应的杂质能级称为施主能级。量子
力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处, 极易形成电子
对于重掺杂的 GaAs P－N 结，在P－N 结的附近，导带中有电子而价带中有空穴，这一小段区域称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光子的激发下跃迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大于受激吸收光子的速率。

lighttools半导体激光管光源

lighttools半导体激光管光源摘要：1.半导体激光管光源的概述2.半导体激光管光源的特点3.半导体激光管光源的应用领域4.半导体激光管光源的发展前景正文：【半导体激光管光源的概述】半导体激光管光源是一种采用半导体材料制造的激光光源。

激光光源，作为一种高度聚焦的光源，其具备的优异性能使得其在众多领域都有广泛的应用。

半导体激光管光源具有体积小、光束质量好、寿命长等特点，因此在激光应用领域具有重要的地位。

【半导体激光管光源的特点】半导体激光管光源具有以下特点：首先，它的体积小，便于安装和携带。

其次，半导体激光管光源的光束质量好，能够提供高精度、高强度的光束。

再次，半导体激光管光源的寿命长，能够在恶劣环境下持续工作。

最后，半导体激光管光源的效率高，能够将大部分电能转化为光能。

【半导体激光管光源的应用领域】半导体激光管光源在许多领域都有应用，例如通信、医疗、激光显示、光存储、激光加工等。

在通信领域，半导体激光管光源被用于光纤通信，可以提供高速、大容量的数据传输。

在医疗领域，半导体激光管光源被用于激光治疗，可以提供高精度、低损伤的治疗效果。

在激光显示领域，半导体激光管光源被用于激光投影，可以提供高清晰、高亮度的投影效果。

在光存储领域，半导体激光管光源被用于激光读写，可以提供高速、大容量的数据存储。

在激光加工领域，半导体激光管光源被用于激光切割、激光打标等，可以提供高效率、高精度的加工效果。

【半导体激光管光源的发展前景】随着科技的发展，半导体激光管光源的发展前景广阔。

未来，半导体激光管光源将在更多领域得到应用，例如自动驾驶、机器人、无人机等。

lighttools半导体激光管光源

lighttools半导体激光管光源【最新版】目录1.半导体激光管光源简介2.半导体激光管光源的工作原理3.半导体激光管光源的种类和应用4.半导体激光管光源的优势和未来发展正文【半导体激光管光源简介】半导体激光管光源是一种采用半导体材料作为激光介质的激光光源。

半导体激光管（LD，Laser Diode）是一种能够发射激光的半导体器件，具有体积小、效率高、寿命长、光束质量好等优点，广泛应用于光通信、光存储、激光显示、激光测量、生物医学等领域。

【半导体激光管光源的工作原理】半导体激光管光源的工作原理是利用半导体材料的激光器结构，在特定的电压、电流和温度条件下，使半导体材料产生激发态电子和空穴，并通过光学谐振腔实现光放大和相干输出。

半导体激光管光源的发射波长与半导体材料的能带结构有关，不同材料的激光管可以实现不同波长的激光输出。

【半导体激光管光源的种类和应用】1.种类：根据半导体材料的不同，半导体激光管光源可分为不同类型，如砷化镓（GaAs）激光管、氮化镓（GaN）激光管等。

此外，还可以根据激光波长、输出功率、光束质量等参数进行分类。

2.应用：半导体激光管光源广泛应用于光通信、光存储、激光显示、激光测量、生物医学等领域。

例如，在光通信中，半导体激光管作为光发送端和接收端的光源，实现光信号的传输；在激光测量中，半导体激光管作为测量距离、速度、角度等的精确光源；在生物医学中，半导体激光管可以应用于激光治疗、激光诊断等。

【半导体激光管光源的优势和未来发展】1.优势：半导体激光管光源具有体积小、效率高、寿命长、光束质量好等优点，满足了各种应用场景的需求。

2.未来发展：随着科技的不断进步，半导体激光管光源在光通信、光存储、激光显示等领域的应用将更加广泛。

同时，新型半导体材料的研究与开发，如氮化镓、氮化铟等，将为半导体激光管光源提供更多的发展空间。

光电子学完整PPT课件

第一章电磁波与光波（理论基础）第二章激光与半导体光源第三章光波的传输第四章光波的调制第五章光波的探测与解调
.
未来是光通信的世界。
第一章光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能级跃迁时，相当于光的发射过程；而从低能级向高能级跃迁时，相当于光的吸收过程；两个相反的过程都满足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。

光电技术基础第五章光电检测用光源53激光(Laser)光源.

21
＋
解理面1
P N ＰＮ结激光－解理面4
GaAs激光器的结构
22
结构原理

自发辐射：在PN结正向电流下，电子同空穴自发复合，产生自发辐射。自发辐射的光子在时间、方向上各不相同，大部分光子会很快穿过PN结射到体外，少数光子沿PN结平面平行穿行就可能引发受激辐射，在１、４两反射面间来回振荡，反复引发受激光子，从而获得激光。阈值条件：为此要克服种种损耗，所以要有足够强的外电场，以便注入足够多的载流子是实现粒子数反转的条件。也就是把电流提高到阈值以上。
１０
77K
150K
200K
250K
300K
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
峰值功５率Ｗ
0.82
100 200 正向激发电流（mA） GaAs激光器的输出功率
26
发光谱线

半导体激光器在达到阈值电流前，发光谱线与普通发光二极管一样，一旦达到阈值电流就会非常集中的谱线。如图所示：
相对光强
100mA
82mA 70mA 0.82 0.84 0.86 0.88
10
工作物质

半导体激光器的工作物质是半导体化合物，其种类很多，如GaAs砷化镓，CdS硫化镉等，其中GaAs砷化镓激光器的工作物质为 GaAs砷化镓，而红宝石激光器的工作物质（激活介质）为络离子。
11
外界激励源

为了获得粒子数反转，就需用外界足够的能量将基态（低能态）的粒子激发到高能态。可见所有的激光器都必须有外界激励源。
θ
5
２、单色性好

单色性好：一种光所包含的波长范围越小，它的颜色就越纯，看起来就越鲜艳，我们通常把这种现象称之为单色性好。一般把波长范围小于几埃的一段辐射称为单色光。

lighttools半导体激光管光源

lighttools半导体激光管光源LightTools是一种先进的光学设计软件，它被广泛应用于半导体激光管光源的设计和优化。

半导体激光管光源是一种重要的光学器件，它能够产生高亮度、高能量的激光光束，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。

在半导体激光管光源的设计过程中，光学设计师需要考虑多个因素，如光束质量、功率稳定性、波长选择等。

而LightTools作为一款功能强大的光学设计软件，能够帮助设计师快速、准确地完成这些任务。

首先，LightTools提供了丰富的光学元件库，包括透镜、反射镜、光纤等。

设计师可以根据实际需求选择合适的元件，并进行组合和调整，以实现所需的光学效果。

此外，LightTools还支持自定义元件，设计师可以根据需要添加新的元件，以满足特定的设计要求。

其次，LightTools具有强大的光线追迹功能。

设计师可以通过设置光源的位置、方向和光束参数等，模拟光线在光学系统中的传播过程。

通过光线追迹，设计师可以分析光束的质量、聚焦性能等，优化光学系统的设计。

此外，LightTools还支持非顺序光线追迹，可以模拟光线在复杂光学系统中的传播过程，提高设计的准确性。

另外，LightTools还具有强大的优化功能。

设计师可以通过设置优化目标和约束条件，自动调整光学系统的参数，以达到最佳的设计效果。

优化功能可以大大提高设计的效率和准确性，帮助设计师快速找到最优解。

除了上述功能，LightTools还具有直观的用户界面和友好的操作方式，使得设计师可以轻松上手并快速完成设计任务。

同时，LightTools还支持与其他软件的数据交换，方便设计师与团队成员之间的合作和沟通。

总之，LightTools是一款功能强大的光学设计软件，对于半导体激光管光源的设计和优化具有重要的意义。

它提供了丰富的光学元件库、强大的光线追迹功能和优化功能，帮助设计师快速、准确地完成设计任务。

通过使用LightTools，设计师可以提高设计的效率和准确性，为半导体激光管光源的应用提供更好的解决方案。

lighttools半导体激光管光源

lighttools半导体激光管光源【原创实用版】目录1.引言：半导体激光管光源的概述2.半导体激光管光源的工作原理3.半导体激光管光源的特点与优势4.半导体激光管光源的应用领域5.结论：半导体激光管光源的发展前景正文【引言】半导体激光管光源是一种采用半导体材料作为工作物质的发光器件，具有体积小、光束质量高、寿命长等特点。

近年来，随着半导体技术的不断发展，半导体激光管光源已广泛应用于各种领域，如通信、照明、医疗等。

本文将对半导体激光管光源的工作原理、特点与优势以及应用领域进行介绍，并探讨其发展前景。

【半导体激光管光源的工作原理】半导体激光管光源的工作原理主要基于半导体材料的激光特性。

在半导体材料中，电子和空穴通过复合作用释放出能量，从而产生光子。

当半导体材料被激励，电子和空穴的浓度增加，导致更多的复合作用，进而产生更多光子。

这种光子发射现象称为激光。

半导体激光管光源通过这种原理产生高亮度、高单色性、高方向性的光束。

【半导体激光管光源的特点与优势】半导体激光管光源具有以下特点与优势：1.体积小：半导体激光管光源采用半导体材料制作，具有较小的体积，便于集成和安装；2.光束质量高：半导体激光管光源发出的光束具有较高的单色性和方向性，适用于高精度的应用场合；3.寿命长：半导体激光管光源的寿命可以达到数万小时，具有较高的稳定性和可靠性；4.效率高：半导体激光管光源的电光转换效率较高，有利于节约能源；5.可调谐性：半导体激光管光源的工作波长可以通过改变半导体材料的组成和结构进行调节，满足不同应用场合的需求。

【半导体激光管光源的应用领域】半导体激光管光源已广泛应用于以下领域：1.通信：半导体激光管光源作为光纤通信的重要光源，可实现高速、远距离的数据传输；2.照明：半导体激光管光源具有高光效、高显色指数等特点，可用于照明领域，如室内照明、道路照明等；3.医疗：半导体激光管光源在医疗领域的应用包括激光治疗、激光手术等，具有创伤小、恢复快等优点；4.测量与检测：半导体激光管光源的高精度、高稳定性特点使其成为测量与检测领域的理想光源，如激光测距、激光雷达等。

激光器的种类讲解

激光器的种类讲解激光器是一种能够产生高纯度、高亮度和一致的光束的装置。

他们在科研、医学、工业和通信等领域中具有广泛的应用。

根据激光器的工作原理和参数，可以将激光器分为多种类型，如气体激光器、固体激光器、半导体激光器和光纤激光器等。

本文将对各种类型的激光器进行深入的讲解。

1.气体激光器：气体激光器是最早被发明出来的激光器类型之一、它们通过用电流激励气体分子来产生所需波长的激光。

常见的气体激光器有氦氖激光器(He-Ne)、二氧化碳激光器(CO2)、氩离子激光器(Ar)等。

气体激光器具有较大的输出功率和较高的波长稳定性，适用于医学、切割和焊接等领域。

2.固体激光器：固体激光器是使用固体材料作为激光介质的激光器。

常见的固体材料有Nd:YAG、Nd:YVO4和Ti:sapphire等。

固体激光器可以通过激光二极管或弧光灯等能量源进行激发。

它们具有高效、高稳定性和长寿命的特点，适用于雷达系统、激光加工和科学研究等领域。

3.半导体激光器：半导体激光器是通过电流注入拥有p-n结构的半导体材料，使其产生激光。

半导体材料可以是单一的半导体材料，如GaAs、InP，也可以是多层薄膜结构，如VCSEL(垂直腔面发射激光器)。

半导体激光器具有小型化、低功率和高效率的特点，广泛应用于通信、光存储和光电显示等领域。

4.光纤激光器：光纤激光器是利用光纤作为激光介质的激光器。

光纤激光器通常包括光纤光源和光纤放大器两个部分。

光纤光源是利用受激辐射从光纤核心产生激光，通常使用稀土离子注入的光纤作为激发材料。

光纤放大器则通过将输入的激光信号放大，从而得到高亮度的激光输出。

光纤激光器具有小型化、高品质和集成化的特点，广泛应用于通信、激光打标和光纤光源等领域。

除了以上所述的主要激光器类型，还有许多其他的激光器类型，例如自由电子激光器、化学激光器和超短脉冲激光器等。

不同类型的激光器在应用领域和性能参数上有着差异。

因此，在选择激光器时，需要根据具体需求来确定最合适的类型和参数。

CO2、光纤激光及直接半导体激光器谁将胜出？

CO2、光纤激光及直接半导体激光器谁将胜出？本⽂对⽐了CO2激光器、光纤激光器及直接半导体激光器在⾦属材料切割速度及质量⽅⾯表现，验证了直接半导体激光器材料加⼯的应⽤潜⼒。

切割速度提升过去10年间，光纤激光器之所以逐步取代CO2激光器，最主要原因是在同等功率⽔平下，光纤激光器的切割速度是CO2激光器的2到3倍。

相较于10.6µm波长的CO2激光器，⼤多数⾦属材料对于1.08µm波长具有更⾼的波长吸收率也能说明这⼀点。

如图1所⽰：图1 不同⾦属对相关波长吸收情况，970nm直接半导体激光器⽐光纤激光器具有更⾼的波长吸收率最新的研究进展表⾯，直接半导体激光器系统可以通过⼆极管直接切割⾦属，从⽽较少了光纤激光器和碟⽚激光器系统多带来的复杂性及⾼成本。

光纤激光器和碟⽚激光器系统都需要增加额外的组件和增益介质以达到⾜够⾼质量的光束⽤于材料加⼯。

因此，对⽐直接半导体和光纤激光器切割系统成为可能，同时也成为2015年各⼤展会及研讨会讨论的主题之⼀。

结果表明，直接半导体激光器在提升⾦属切割速度⽅⾯具有可⾏性，特别是在铝材料加⼯⽅⾯，图2展⽰了铝材料对于970nm⼆极管波长具有更强的吸收率。

在1KW直接半导体激光器导⼊50µm光纤（BBP值为2.5mm-mrad）情况下，对⽐于1.08µm光纤激光器（⼆者在⼯件表⾯具有相似的光斑尺⼨），直接半导体激光器切割速度可以提升1倍。

图2 相似BPP值（2.5mm-mrad）及光斑尺⼨下，对⽐1KW直接半导体激光器（970nm）和光纤激光器（1060nm）尽管不那么激动⼈⼼，其他⾦属切割速度也有10-20%的提升。

例如图3中展⽰的碳钢切割速度对⽐，其中2KW光纤激光器和2KW直接半导体激光器系统具有相似的光斑尺⼨，采⽤氧⽓作为辅助⽓体。

对⽐光纤激光器典型切割速度范围，直接半导体激光器初始数据具有⼀定优势。

同时，也能将切割范围延伸到更厚的材料，直接半导体激光系统在15mm厚度时仍能保持⾼切割质量，⽽光纤激光系统只能做到12mm厚度，这⼀点在图4中有所展⽰。

激光器的种类及应用

激光器的种类及应用激光器是一种能够产生高强度、单色、相干光的装置，被广泛应用于科研、医学、工业、军事等领域。

根据激光器的工作原理和应用领域的不同，可以分为以下几种类型：1.气体激光器气体激光器利用气体电离放电激发基态原子或分子，从而产生激光。

常见的气体激光器包括CO2激光器、氦氖激光器、氩离子激光器等。

气体激光器具有较大的功率输出和较高的效率，被广泛应用于材料加工、医学、通信等领域。

2.固体激光器固体激光器利用固体材料中的色心离子或稀土离子来实现激光的产生。

常见的固体激光器有Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器等。

固体激光器具有较高的光学效率和较长的寿命，在材料加工、医学、研究等领域有广泛应用。

3.半导体激光器半导体激光器利用半导体材料中的电子与空穴的复合辐射产生激光。

常见的半导体激光器有激光二极管和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

半导体激光器具有小体积、高效率、低功率消耗等优点，被广泛应用于光通信、激光打印、激光雷达等领域。

4.光纤激光器光纤激光器是利用光纤介质中的掺杂离子来产生激光。

常见的光纤激光器有光纤光栅激光器、光纤拉曼激光器等。

光纤激光器具有输出光束质量好、稳定性高、易于集成等优点，被广泛应用于通信、激光加工等领域。

5.势能激发激光器势能激发激光器利用电能、化学能等形式的势能转化为激光的能量。

其中，化学激光器通过化学反应释放能量来产生激光，常见的有二氧化碳化学激光器；核聚变激光器通过核聚变反应释放能量来产生激光。

6.自由电子激光器自由电子激光器利用电子在磁场中的轨道运动来产生激光。

自由电子激光器具有宽波谱、高亮度和超短脉冲等优点，被广泛应用于材料表面处理、生物医学和物理研究等领域。

激光器在各个领域具有广泛的应用：1.医疗领域激光器在医学诊断和治疗中发挥着重要作用。

例如，激光刀在手术中用于切割和凝固组织；激光眼科手术用于矫正视力；激光美容仪器用于皮肤治疗和脱毛等。

2.材料加工激光器在材料切割、焊接、打孔、刻蚀等方面发挥着重要作用。

光纤激光器灯泵浦和半导体激光器

光纤激光器灯泵浦和半导体激光器
1.原理：
灯泵浦：灯泵浦激光器是利用高浓度的氙灯或钨丝灯等常见光源，通
过较大功率的光束在介质材料上产生吸收，来实现激光输出。

半导体激光器：半导体激光器是利用半导体材料的电子能带结构，在
二极管结构中通过外加电流进行正向电子注入形成激发，最终实现激光输出。

2.结构：
灯泵浦：灯泵浦激光器通常包括灯泡、激光介质、反射镜、光学腔等
基本组件。

半导体激光器：半导体激光器主要由PN结构的半导体材料、腔体、
外加电极和反射镜等组成。

3.性能：
灯泵浦：灯泵浦激光器功率较大，适用于高功率要求的激光器应用，
但输出光束质量较差，相对稳定性较差。

半导体激光器：半导体激光器具有较小体积、较低功耗和较高的效率，适用于低功率激光器应用，但光束质量较差，频谱相对较宽，相对稳定性
较差。

此外，半导体激光器的使用寿命相对较短。

4.应用领域：
灯泵浦：灯泵浦激光器适用于科研实验、军事、材料研究等领域，在
工程应用中用于割、焊接、打标和激光测距等方面。

半导体激光器：半导体激光器广泛应用于工业材料处理、医疗器械、光通信以及显示技术等领域。

综上所述，光纤激光器、灯泵浦和半导体激光器在原理、结构、性能和应用方面存在差异。

根据具体的应用需求和预算，选择合适的激光器类型非常重要。

激光技术在半导体制造中的应用

激光技术在半导体制造中的应用近年来，激光技术在半导体制造中的应用越来越广泛。

在此之前，传统的装备和工艺已经过去了几十年，随着半导体技术的不断发展，这些技术和工艺已经达到了极限。

于是，半导体制造业开始探索新的制造技术，激光技术就是其中之一。

一、激光技术在微影制程中的应用微影制程是半导体制造加工中的一个重要环节，它对芯片质量的稳定性和精度都有很高要求。

激光光源具有射线直线度好、中心波长稳定、能量浓度高等特点，因此在微影制程中广泛应用。

激光光源可以将红外激光变为紫外激光，使得光刻胶的曝光剂能够很快被激活，从而保证微影制程中的高分辨率和薄线尺寸。

二、激光技术在薄膜剥离中的应用薄膜剥离是制造SOI（Silicon On Insulator）芯片的重要工艺，也是半导体工业中裸片处理的关键环节之一。

目前，薄膜剥离可以通过机械磨砂切割或者化学溶解等方法实现，但是这些方法缺点显著，如剪切问题、多层膜处理问题、制造成本高等，这些问题都制约着SOI芯片产业的发展。

随着激光技术的发展，利用激光剥离不仅保证了SOI芯片的质量，而且也解决了其他方法的制造成本高和效率低的问题。

三、激光技术在切割晶圆上的应用晶圆的切割是半导体制造的重要环节，晶圆的尺寸、形状、材质以及表面光洁度都对晶体管的性能有较大影响。

传统的切割技术容易产生破片和裂纹，而激光切割技术可以帮助避免这些问题。

激光切割技术能够通过不同波长的激光来切割不同材质的晶圆，使得切割过程更加平滑和精准。

四、激光技术在量子点晶体生长中的应用量子点晶体是应用技术研究的一个重要领域，具有广泛的应用前景。

激光技术在量子点晶体生长中的应用，是采用化学气相沉积、气体聚合等技术，通过激光调控氧化铝膜作为反应媒介将最终产生的量子点生长在电路晶片上的一种方法。

一方面，激光调控的方式可以实现对量子点的精确定位，可以对各种不同的应用需求进行精确量身定制，另一方面，这种方法具有易于控制和生产成本低等优点，有着广阔的推广应用前景。

半导体激光作用

半导体激光作用
激光是一种强光源，它利用光子与电子的相互作用来传递信息。

这种光源通常具有很高的亮度和很宽的光谱范围，因此，在某些领域中，它可以作为一种有效的工具。

半导体激光是由半导体材料制成的激光。

与普通激光器不同，它具有许多优点：
1.体积小，重量轻；
2.结构简单；
3.寿命长，效率高；
4.调谐方便，输出功率可大可小；
5.体积小，可集成在各种器件中使用。

半导体激光器广泛应用于自动控制系统中。

例如在飞机上用它可以做远距离测速和测距等；在雷达系统中，可以做相控阵雷达的主波长等。

由于半导体激光器体积小、重量轻、寿命长和调谐方便等特点，使它成为自动控制系统中非常理想的光源。

半导体激光在科学和工业上有广泛的用途。

例如：半导体激光测距仪就是利用半导体激光作为测距光源；利用半导体激光作为扫描光源的全站仪；利用半导体激光作为显示光源的光导型数字影院；利用半导体激光作为激光显像管的光源。

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