自年世界上第一臺半導體激光器發(fā)明問世以來,半導體激光器發(fā)生了巨大的變化,極大地推動了其他科學技術的發(fā)展,被認為是二十世紀人類 偉大的發(fā)明之一,近十幾年來,半導體激光器的發(fā)展更為迅速,已成為世界上發(fā)展 快的一門激光技術。半導體激光器從 初的低溫(77K)下運轉發(fā)展到室溫下連續(xù)工作,由小功率型向高功率型轉變,輸出功率由幾mW提高到kW級(陣列器件)。激光器的結構從同質結發(fā)展成單異質結、雙異質結、量子阱(單、多量子阱)等270余種形式。制作方法從擴散法發(fā)展到液相外延(LPE)、氣相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金屬有機化合物氣相淀積(MOCVB)、化學束外延(CBE)以及它們的各種結合型等多種工藝。半導體激光器的應用覆蓋了整個光電子學領域,已成為當今光電子科學的核心技術。
由于半導體激光器的體積小、結構簡單、輸入能量低、壽命較長、易于調制及價格低廉等優(yōu)點,使得它目前在軍事領域中應用非常廣泛,它作為一種很有潛力的光源,已受到各國軍方的高度重視。以美國為例,美國國防部、宇航局、各軍兵種以及國家實驗室等20多個部門都在為武器裝備研制高功率半導體激光器,使得美國在這一領域處于世界領先地位。隨著新型半導體材料不斷涌現(xiàn)、半導體激光器結構的不斷完善和半導體激光器應用的日益開拓,半導體激光器研究也取得了突飛猛進的進展。20世紀80年代開展了半導體激光器陣列的研究, 初主要集中在鎖相陣列上,以求獲得窄的衍射極限光束。這個工作一直到共振漏波耦合陣列出現(xiàn)才取得突破性進展。
后來大功率半導體激光陣列成為目前應用范圍 廣泛的陣列器件。半導體激光列陣以激光條為基本單元,由于輸出功率大、工作電流大、損耗熱大,所以在器件優(yōu)化上有一定的技術難點,要兼顧波長、發(fā)散角、閾值、效率等參數(shù),因激光條與單元器件的管芯不同,它要求高均勻性、大面積,低缺陷密度的外延材料生長技術。根據(jù)量子阱激光器理論,通過對激光器的材料結構進行設計來滿足閾值、波長、效率、發(fā)散角的要求,通過采用橫向隔離技術來解決發(fā)光單元之間的干擾近年來,高功率半導體激光器陣列器件也得到了飛速的發(fā)展,已推出產品有連續(xù)輸出功率5W、10W、15W、20W 和30W的激光器陣列。脈沖工作的激光器,峰值輸出功率50W、120W、1500W和4800W的陣列也已經商品化。一個4.5cm×9cm的二維陣列,其峰值輸出功率為350KW的二維陣列問世。
美國是半導體激光器泵浦技術開發(fā)應用較早、進展 快的國家。日本、英國和德國的西門子公司早在1988-1989年就提供了高功率半導體激光器系列產品用作泵浦光源,目前國外用半導體激光器疊層陣列泵浦Nd;YAG激光器,輸出功率達到1000W,預示著在軍事裝備領域應用的半導體激光技術將產生巨大變革。
半導體激光雷達
早在70年代,半導體激光雷達采用合作目標探測,就已用于艦船入港時避障和防撞,空間會合和高速或超高速干道上車輛的測距。例如美國國際電話公司在1967 年就研制出了第一代用于飛船交會制導的GaAs 掃描激光雷達,1977年研制出了第二代,作用距離90km,這種飛船載雷達機動性好,總重量為18kg。半導體激光雷達已用于衛(wèi)星對接系統(tǒng),該雷達系統(tǒng)由幾個子系統(tǒng)組成,一部分安裝在第一衛(wèi)星上,另一部分安裝在第二個衛(wèi)星上。此外,在1977年之前美國就開發(fā)出了一種便攜式GaAs激光雷達,它用GaAs激光器照明。進入80年代以后,非合作目標探測的半導體激光雷達發(fā)展起來并用于航天飛機回收衛(wèi)星時的精確定位等。在海灣戰(zhàn)爭中,半導體激光雷達曾用于直升機在甲板上的起降控制和防止直升機夜間飛行中與沙丘碰撞。研制這種半導體激光雷達有美國Laser Technology和Laser Atlata等公司。此外,美國的休斯公司、Schwatz公司、Sparta公司、洛雷爾系統(tǒng)公司以及法國的湯姆遜公司等在80年代末至90年代初還分別研制出半導體激光成像雷達,用于戰(zhàn)場偵察、低空飛行器下視和防撞以及主動激光制導等。半導體激光雷達已成功地用于常規(guī)兵器。