什么是激光二极管和激光巴条叠阵？定义、种类、用途

激光二极管是半导体激光器吗？

是的。激光二极管是一种特殊的半导体激光器。它的工作原理是利用半导体科学和一种特殊的半导体材料来产生激光。在激光二极管中，这种材料的制造方式是使激发电子多于弛豫电子，从而使激发电子在平静下来时发出激光。这样就产生了一种叫做激光的聚焦单色光。激光二极管 "中的 "二极管 "一词是指它的制造方式类似于某种基本半导体器件，称为 p-n 结二极管，它通过将两种半导体材料以特殊的方式排列在一起，为产生激光创造了适当的条件。(Kapitsa, 2017).

Botez, D., & Avram, R. (2014). Fundamentals of Semiconductor Lasers. In Introduction to Solid-State Lighting (pp. 101-152). Springer, Cham. [DOI: 10.1007/978-3-319-03229-4_4]

什么是激光二极管（LD）？- 激光二极管和激光二极管堆栈的定义。

激光二极管（LD、注入式激光二极管、ILD 或二极管激光器）是一种利用受激发射产生聚焦单色光的半导体器件。它的工作原理是通过受激辐射发射（缩写为 LASER）放大光，通过在半导体材料中形成特定的排列来实现。这种排列方式可以有组织地发射光子，从而产生一束集中而强烈的、具有独特波长的光束。

激光二极管堆栈就像一组激光二极管在一个封装或阵列中协同工作。这种设置使组合后的激光更强、更有力。

Lumimetirc 的激光二极管水平堆栈结构：

了解工作原则

二极管激光器是利用光学增益介质和谐振腔产生光的重要设备。这些组件的设计对现代激光器至关重要。图中所示为激光器腔体示意图，包括一个腔体模式的可选模式选择滤波器。增益介质吸收辐射，但可以利用输入能量放大辐射，从而产生光。谐振腔支持多种模式，如果增益克服了损耗，模式就会达到阈值，发出相干光。单模偏好使用不同的方法。二极管激光器应用广泛，如 CD/DVD 播放器、光纤通信、激光打印机等（Coldren, Corzine, & Mašanović, 2012）。

Coldren, L. A., Corzine, S. W., & Mašanović, M. L. (2012). Diode lasers and photonic integrated circuits. John Wiley & Sons, Inc. https://doi.org/10.1002/9781118148167

实用二极管激光器的类别 ：

1. 边缘发射激光器 Edge-Emitting Lasers（平面内激光器 In-Plane Lasers）： 面内激光器又称边缘发射激光器，早在 20 世纪 60 年代末就已出现。边缘发射激光器的反馈通常是通过一个简单的裂面反射镜实现的，它能将光反射回激光腔进行放大。

   

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DPL 泵浦源（DPSS - 二极管泵浦固体激光器）设备都是水平堆叠的阵列，通常在 DPL 中提供侧泵浦。    

            DPL 全固态半导体激光器 产品内部图                 

    2. 垂直腔激光器：是一种沿垂直于半导体晶片表面的方向发光的半导体激光器。与光线沿晶片表面传播的传统边缘发射激光器不同，垂直腔激光器通过垂直腔结构向上或向下发射光线。这种设计可实现高效的光发射，并具有低阈值电流、圆形光束轮廓和易于集成到光学系统等优点。

大多数脱毛设备都采用垂直堆叠阵列（激光二极管垂直阵列）。

3.表面发射激光器：属于半导体激光器系列，其发光方向垂直于半导体晶片表面。与沿表面发光的边缘发射激光器不同，表面发射激光器从芯片顶面释放光线。这种独特的设计带来了许多好处，如与其他部件无缝集成、与光纤有效连接，以及在二维范围内形成激光器阵列的可能性。

散热器的不同冷却模式： 

1.微通道（Micro-Channel）散热--主动冷却模式

散热片上的水道和水条间距很近，一般在 0.15-0.2 毫米左右，因此热阻小，散热效率高。该单片器件具有高功率能力（连续波工作功率可达 100W 或更高，准连续波工作功率可达 700W）。此外，散热器作为正电极，需要去离子水等高质量冷却水。

2.宏通道散热--主动冷却模式

散热片的制备可简化，水道和条形散热片之间的间距可稍宽，通常超过 0.2 毫米。水道通常具有通孔或专门的齿状结构，旨在增加交换表面积。脱毛模块、DPL 模块和 10,000 瓦环形棒等宏观水道结构均属于此类。具有水道的散热器通常不用作导电介质，也不需要很高的水质。

Reference:

Chen, K., Chen, L., Liu, Q., & Duan, Y. (2021). Design and Experiment of High Power Diode Laser Array Heat Sink Based on Heat Transfer and Fluid Flow Analysis. Journal of Applied Thermal Engineering, 192, 116935. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.116935

激光二极管的典型波长范围 ：

激光二极管的典型波长范围为近红外至可见光谱，波长约为 400 至 2000 纳米（nm）。这一波长范围适用于需要特定颜色光发射的各种应用。例如，红色激光指示器的工作波长通常在 650 纳米左右，而通信系统和遥控器中使用的红外激光二极管通常在 850 纳米或更高波长范围内。值得注意的是，特殊的激光二极管也可以在此范围之外用于特定的工业、科学和医疗目的（Hecht, J. 2002）。

Hecht, J. (2002). The LASER Guidebook (2nd ed.). McGraw-Hill Education.

以 808nm 激光二极管为例： 

808nm 激光二极管指的是一种特定类型的激光二极管，它能发出波长约为 808 纳米（nm）的光。这属于电磁波谱的近红外区域。808纳米 "代表激光输出的波长。以这种波长发光的激光二极管有多种应用，包括医疗程序、材料加工、电信和科学研究。在医疗领域，由于 808nm 激光二极管能够被毛囊和皮肤组织中的黑色素吸收，因此常用于皮肤科的脱毛和皮肤治疗。此外，这些二极管还用于激光泵浦系统，其特定波长非常适合某些类型的固体激光器。

• 波长参数包括中心波长、峰值波长、FWHM（全宽半最大值）和 FW（90%）；

• 随着结温的升高，波长会发生红移，一般约为 0.26-0.28 nm/°C。更高的电流/更大的占空比/更弱的散热都会导致更高的结温；

• 阵列的光谱宽度比单条更宽。

  
  

激光二极管的应用：

• 可见光谱（400-700 纳米）： 由于体积小、功耗低，可用于激光指示器、条形码扫描仪和激光打印机。

• 近红外光谱（700-1500 纳米）： 应用于光纤通信、医疗皮肤治疗和固体激光泵浦。

• 短波红外线（1500-3000 纳米）： 用于光谱学、气体传感和材料加工应用。

• 中波长红外线（3000-8000 纳米）： 用于遥感、瞄准和环境监测。

• 远红外线（8000 纳米以上）： 用于医疗诊断、气体分析和工业热处理。

多功能性： 激光二极管对这些波长的适应性突出了其在各种行业和技术中的重要性。

激光二极管（LD）和发光二极管（LED）的区别 

激光二极管和发光二极管（LED）都是发光的半导体器件，但它们在基本工作原理、特性和应用上有所不同：

激光二极管：

相干性和单色性： 激光二极管发射相干单色光，即发射的光波相位一致，波长单一。

受激发射： 激光二极管的工作原理是受激发射，受激电子释放光子，在级联效应中引发其他光子的发射。

方向性： 激光二极管在窄光束中发出高方向性的光，适合需要精确聚焦和远距离投射的应用。

高强度： 激光二极管能产生强烈而集中的光，因此非常适合激光切割、雕刻和医疗程序等应用。

应用： 激光二极管可用于电信、医疗、光存储、精密测量和科学研究。

发光二极管（LED）：

不连贯和宽光谱： 发光二极管发出的光不连贯，光谱较宽，可产生不同波长的光。

自发辐射： 发光二极管的工作原理是自发辐射，即激发电子释放光子，而不引发其他光子发射。

全方位： LED 的发光角度更大，适合照亮更大的区域或显示屏。

强度低： 与激光二极管相比，LED 发出的光强度较低，因此常用于指示灯、显示器和普通照明。

应用： LED 可用于指示灯、显示器、照明灯具、汽车照明、交通信号和屏幕背光。

总之，激光二极管发出的光相干、强烈、集中，适合精确应用，而 LED 发出的光不相干，在普通照明和显示器中应用更广泛。

参考文献：

Saleh, B. E. A., & Teich, M. C. (2007). 光子学基础（第 2 版）。Wiley.

Coldren, L. A., Corzine, S. W., & Mašanović, M. L. (2012). 二极管激光器与光子集成电路》。John Wiley & Sons, Inc.