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光学工程
半导体激光器在光固化快速成型中的应用

      引言
      自从1962年世界上第一台半导体激光器(diode laser)发明问世以来,由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点,被认为是20世纪人类最伟大的发明之一。40几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信、激光快速成型以及激光光谱学中,并不断扩大应用范围,进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。
1.半导体激光器的发展概况
       半导体激光器是以半导体材料(主要是化合物半导体)作为工作物质。以电流注入作为激励方式的一种小型化激光器。它必须满足三个基本要素:1)pn结区的电子-空穴复合,提供光增益;2)正向偏置pn结提供载流子注入;3)垂直于结的两个解理端面形成f-p谐振腔提供反馈。
       世界上第一台半导体激光器是同质结的,即和普通的pn结二极管一样。这种同质结激光器有源区的厚度为电子扩散长度量级(微米量级),阈值电流密度需达到105a/cm2,因此只能在液氮温度(77k)和脉冲状态下工作。1967年出现的单异质结半导体激光器由两种不同带隙的半导体材料薄层所组成,利用高带隙势垒的阻挡作用。使阈值电流密度降低了一个数量级,并实现了在室温下脉冲工作。但不久便被1970年出现的双异质结激光器所取代。双异质结激光器是将窄带隙并具有高折射率的半导体材料夹在两个宽带隙并具有低折射率的半导体材料之间,因而可以利用带隙势垒和光波导将载流子和光子有效地限制在有源区内。从而使阈值电流密度又降低了一个数量级。并实现了室温下连续工作。1978年出现的量子阱激光器是把窄带隙超薄层夹在两个宽带隙势垒薄层之间。由于有源层的厚度被减少到同电子德布罗意波长(约为10μm)差不多,即量子化尺寸。所以量子阱只在平行于阱壁的平面内有两个自由电子气。提高了注入有源层内载流子,的利用率,降低了阈值电流密度(50a/cm2)。
      从20世纪70年代末开始,半导体激光器明显向着两个方向发展。一类是以传递信息为应用目的的信息型激光器.另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下。高功率半导体激光器(连续输出功率在100mw以上,脉冲输出功率在5w以上。均可称之为高功率半导体激光器)在20世纪90年代取得了突破性进展,其标志是半导体激光器的输出功率显著增加。国外kw级的高功率半导体激光器已经商品化,国内样品器件输出已达到600w。如果从扩展激光波段的角度来看,先是红外半导体激光器,接着是670nm红光半导体激光器大量进入应用,接着是波长为650nm、635nm的可见光激光器问世,蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功,10mw量级的紫光乃至紫外光半导体激光器,已经研制成功且市面上已有出售。
2.当前主要的半导体激光器产品
       半导体激光器由于广泛地应用,在国际和国内已经形成相当规模的产业。nanoplus、laser components cmbh、vertlas gmbh等都是当前国际上主要的半导体激光器供应商。lager components cmbh提供了波长为635-25μm最广的半导体激光器。其中包括一系列的红外单模半导体激光器(3~10μm),760 nm、850nm、794nm以及现在己扩展到1.5-2μm之间的单模vcsel激光器,以及1.25~1.75μm的dfb半导体激光器等。       vertlas gmbh是全球主要的vcsel激光器供应者之一,这些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及气体监测。此外相干(coherent)公司生产的无铝材料半导体激光器(aaa)。基于无铝材料(ingaasp)半导体工艺,有效地避免了有源区的氧化问题。从而使半导体激光器具有更高的效率和更长的寿命。相干公司采用mbe方法生产外延片,生产过程可控性强,生产出的外延片性能、质量一致性好。可获得性能一致、可靠性强的半导体激光器产品。能够提供的波长范围为675-980nm的半导体激光器。另外相干公司还提供紫外半导体激光器。波长在375nm,具体型号为cube375-8e和radius 375-8。这样就为半导体激光器在光固化快速成型的应用成为现实。

3.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charles hull在1984年申请了美国专利。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l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同化,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。
      sla设备最早使用he-cd气体激光器和ar+气体激光器作为光源,但价格较昂贵、电光转换效率低、工作可靠性低。随着sla推广应用的普及,要求降低设备制造成本和运行成本,并且要求装置小型化,这样就产生了使用紫外灯和光纤技术的sla光源。但上述紫外灯的谱带较宽。这对具有特定光吸收特性的材料固化是不利的。另外,紫外灯发光面大,与光纤耦合时光能量损耗也大,而要纠正这一缺点,就必须增加聚光零件。使结构复杂,并使光源体积增大。
      紫外半导体激光器技术的发展,为sla rpt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sla rp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。如上文所述的相干公司的cube 375-8e和radius 375-8。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。
4.结论
      综上所述由于半导体激光器体积小、光电转换效率高、寿命长、可靠性高、易于调制等优点,使其在激光技术中占有重要的地位,已经成功运用到电子学的各个领域。紫外半导体激光器的商品化,使得作为光固化快速成型的新型光源成为现实。必将充分发挥半导体激光器的优势。并将大力推动光固化快速成型设备的桌面三维打印系统的实现。

 


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