半导体激光器应用

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。半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作；从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式。半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。半导体激光器的体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用遍布临床、加工制造、军事，其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。

半导体激光器的应用

半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种。半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850hm波长的半导体激光器适用于》1Gh／s局域网，1300hm一1550nto波长的半导体激光器适用于10Gb局域网系统”1。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。

1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统。由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光

耦合等方面有重要用途。半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。GaAs／GaAIAs双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器（DFB—LD）。半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术。是大容量、高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写入和读出。

下面我们具体来看看几种常用的半导体激光器的应用：

量子阱半导体大功率激光器在精密机械零件的激光加工方面有重要应用，同时也成为固体激光器最理想的、高效率泵浦光源。由于它的高效率、高可靠性和小型化的优点，导致了固体激光器的不断更新-在印刷业和医学领域，高功率半导体激光器也有应用。另外，如长波长激光器（1976年，人们用GaInAsP／lnP实现了长波长激光器）用于光通信，短波长激光器用于光盘读出。

自从NaKamura实现了GatnN／QaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如cD播放器，DVD系统和高密度光存储器。可见光面发射激光器在光盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用，特别是红光、绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛。蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机中。总之，可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源、光存贮的读出和写入，激光打印、激光印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器以及固体激光器的泵浦源等方面有着广泛的用途。量子级联激光的新型激光器应用于环境检测和医检领域。

另外，由于半导体激光器可以通过改变磁场或调节电流实现波长调谐，且已经可以获得线宽很窄的激光输出，因此利用半导体激光器可以进行高分辨光谱研究。可调谐激光器是深入研究物质结构而迅速发展的激光光谱学的重要工具。大功率中红外（3—5邮，）LD在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗121、自由空闻通信、大气监 视和化学光谱学等方面有广泛的应用。

绿光到紫外光的垂直腔面发射器在光电子学中得到了广泛的应用，如超高密度、光存储。近场光学方案被认为是实现高密度光存储的重要手段。垂直腔面发射激光器还可用在全色平板显示、大面积发射、照明、光信号、光装饰、紫外光刻、激光加工和医疗等方面。

如前所述，半导体激光器自20世纪80年代初以来，由于取得了DFB动态单纵模激光器的研制成功和实用化，最子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的研制成功，面发射激光器的实现、单极性注入半导体激光器的研制等等一系列的重大突破，半导体激光器的应用越来越广泛，半导体激光器已成为激光产业的主要组成部分，目前已成为各国发展信息、通信、家电产业及军事装备不可缺少的重要基础。

半导体激光的医学应用

半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其临床应用覆盖了其他类型激光的应用范围。主要应用于光谱技术、干涉技术、临床标本或组织的检测和诊断、临床治疗。

1 医学中的监测和诊断

激光在基础医学最成功的应用是为分析细胞学提供了最先进的仪器。毫无疑问，半导体激光的发展将为激光医用仪器的微型化拓宽道路。

激光多普勒技术

激光多普勒技术在许多场合都得到应用，但所用仪器都有体积大、需水冷、易受干扰等缺点。而半导体激光技术的引入，如：利用%个稳频的半导体激光器可以产生测速时所需要的光频移F“G，利用光外差技术可以去掉光频移的波动并从散射光信号中得到多普勒频率；用半导体激光器泵浦的H4：IJK环行激光器通过不同折射率及长度的光纤产生测速时所需范围内光频移，并用正交信号去辨别流向等。这些技术消去了以前必不可少频移元件L如声光调制盒M，使得仪器体积大大缩小、抗干扰能力增强，而且使入射激光束功率也有很大提高。

（1）激光多普勒测速仪通过记录激光照射下血细胞因运动而产生的散射光的频移，从而推算被检测组织的血流量。常见以He-Ne等激光器为光源，光纤作为光源和探测器的联结器，激光管的升温使得输出信号产生波动，多普勒信号也会被光纤的移动所干扰。用半导体激光二极管制作的多普勒测速仪体积小，价格便宜，而且更重要的是性能更加稳定，克服了其它激光易产生的干扰情况

（2）激光多普勒成像，可进行血流探测，活体人血成像，多散射光子程长分布的探测，介质内部悬浮液的激光多普勒显微探测，人视网膜血流的彩色多普勒BT&成像等多方面的应用与研究。半导体激光波长范围宽，可满足仪器不同波段的需求，同时又具备体积小、价格低、性能稳定的优点，将是今后该领域发展的主要方向。

激光共聚焦扫描显微镜

激光扫描显微镜是激光技术、显微技术、光度技术以及计算机图像分析技术相结合的产物。

（1）单光子激光扫描显微镜，即常用的激光共聚焦扫描显微镜，成像清晰、精确、客观，较传统显微镜有着不可比拟的优势，是分析细胞学研究的有力工具。

（2）多光子激光扫描显微镜，其在三维分辨率、深度侵入、在散射效率、背景光、信噪比、控制等方面，具有激光共聚焦扫描显微镜不具备，或无法比拟的超越特性，尤其适用于活细胞结构和功能的实时动态变化过程的分析检测。

激光全息技术

全息技术是利用激光束将物体外形的各种特点记录在一个具有高分辨率的感光底片上，同时来自物光和参考光的%束光波照射，把物光的相位信息和强度信息都记录在感光底片上，再现与物体十分逼真的立体像。激光全息图常用于牙科、眼科以及诊断乳腺癌、膀胱癌等。

拍摄一张质量好的全息图，对激光器的要求是很严格。与常用的红宝石激光器、He-Ne激光器、氢离子激光器等相比，它的相干性较差，拍摄时要求参考光、物光接近零程差，加之其光斑光强分布很不均匀，因此在拍摄全息图时光路调节较麻烦。但据有关文献，这些问题可以通过对多模光纤束的设计解决，从而克服了半导体激光器应用于全息技术的缺点和局限性。同时，半导体激光器具有体积小、成本低、寿命长、使用方便、安全的特点，因此用它作光源拍摄全息图有实用意义。

2 临床生物效应应用

生物组织吸收激光能量后将其光能转变成热能，在此过程中因热反应所致的局部组织效应程度不同而又有不同的应用。半导体激光输出波长600-8500nm，连续或脉冲，功率从几毫瓦到上百瓦，小功率可用于血管或体外照射，大功率则可用于外科手术。

组织焊接

激光焊接技术始于（“世纪）”年代，主要应用于神经、血管、肠管、皮肤以及视网膜的焊接。半导体激光焊接组织具有炎症反应轻、形成粘连少、愈合快、瘢痕不明显、操作简单、手术时间短等特点。H.Sprague Eustis等利用半导体激光结合冷冻疗法治疗早产儿视网膜疾病，效果明显好于单独使用冷冻疗法也好于单独使用激光治疗，术后并发症发生率降低。根据I.C.D.Y.M.Wolf –de Jonge2的统计，使用半导体激光焊接血管其焊接点平均破裂压力为409mmHg，与其它常用激光相比居中，但其术后动脉瘤生成概率最低。研究表明，激光焊接组织时使用蛋白质等生物焊接剂将增加抗拉强度，而焊接剂的浓度和染色浓度对半导体激光焊接组织的抗拉强度都有很大影响。，随着焊料的不断发展，半导体激光组织焊接牢固性也不断增强，同时其具有功率大、使用方便、操作简单、价格低的优点。因此，半导体激光在组织吻合方面大有取代传统缝合的趋势。

组织切割

继Nd:YAG激光之后，高功率半导体激光已成为目前最新一代的医用光刀，对组织照射较深穿透，因此，进行组织切割比较理想。龚卓对168例半导体激光手术进行统计后得到各科室手术的平均功率为： 妇产科11.25W，耳鼻喉科11.59W，神经外科8.67W，泌尿外科28.70W。不同科别之间有极显著差异，从而提示半导体激光的功率预置应根据不同组织类型和使用环境有所区别。王勉镜对980nm半导体激光刀与810nm半导体激光刀进行比较，前者平均使用功率均低于后者，认为980nm半导体激光在切割、凝固等方面应用效果好于$H“&’半导体激光刀。Bertrand C.Devaux M.D等对中枢神经肿瘤应用半导体激光切割，输出功率从1W到25W不等，深色肿瘤使用接触式连续波散焦3-10W止血，10-25W汽化或脉冲聚焦汽化；而对浅色组织由于半导体激光的穿透较深，应选用接触模式，输出功率则有相应变化。

照射、理疗

弱激光的刺激效应可以加强局部血液循环、提高免疫功能、调整机能、促进细胞生长、组织修复等作用，达到治疗疾病的目的。

半导体激光在口腔科的照射应用较广，对于急性根尖炎、急性冠周炎、干槽症、根充后疼痛、口腔溃疡、糜烂型扁平苔藓、颞颌关节功能紊乱、牙龈炎、牙本质过敏等等各种口腔疾病都有应用7H（8。半导体激光照射治疗对口腔科常见的急慢性疾病有着较好的疗效，总有效率可达86.25%，值得临床推广应用。在杨淑兰、张洁等比较半导体激光和He-Ne激光照射治疗五官科疾病中，半导体激光治疗有效率明显高于He-Ne激光治疗有效率。沈国荣，金文潮等在830nm半导体激光防龋实验中：实验组龋坏率远小于非照射组，故半导体激光防治龋也是一种有效、安全，值得继续发展的治疗方法。

与Er激光、Ho激光等激光相比，半导体激光对人组织穿透较深，可引起较深层组织的生物效应。用其照射患部可改善局部血液循环，增加局部营养物质和氧的交换，增强代谢作用，促进血管再生、受损神经组织的恢复。杨中伟对比了632.8nm的He-Ne激光和650-810nm双波长半导体激光在耳鼻喉科疾病中的疗效，前者总有效率91.4%，后者总有效率96%以上。叶美云，陈荣利用650nm的半导体激光对各种鼻炎照射治疗，输出功率20-60mW总有效率达97.5%。其中急性鼻炎、慢性单纯性鼻炎，疗效显著；过敏性鼻炎及慢性肥厚性鼻炎次之；萎缩性鼻炎疗效稍差。

眼科应用较多的主要是光凝治疗。眼睛不同组织对不同波长的吸收率差别很大，半导体激光波长范围宽，因此选择时应根据组织的不同而选择相应的波长。Scott A.Pastor MD在对眼科光凝的回顾研究中指出，半导体激光穿过巩膜光凝效果与Nd：YAG激光相比无显著差异，因此可以替代之。司马晶比较了半导体激光与氩激光，指出半导体激光穿透力较强，作用位置较深，可经巩膜行睫状体光凝术；能穿透混浊的晶体和玻璃体进行治疗；能透过出血区直接作用于视网膜色素上皮及脉络膜；作用于视网膜色素上皮及脉络膜色素上皮时不会因为神经上皮受损而造成视力和视野的损害，尤其对黄斑区的病变及中心凹下脉胳膜新生血管等，具有保留有限的中心视力的优点。Edoardo Midena等利用810nm半导体激光经瞳孔照射温热疗法对眼底恶性黑色素瘤的检测和治疗进行了初步探讨，提示这可能是一种治疗脉络膜黑色素瘤的新方法。但同时半导体激光也有明显缺点7（H8：光凝局部视网膜出现反应的时间较长，若半导体激光光凝后即刻出现与氩激光相似的反应，则光凝已过量。因此，半导体激光作为眼底病光凝光斑反应较难掌握，后期光斑瘫痕扩大、光斑融合，色素沉着现象极显著。

He-Ne激光血管内照射治疗发展已有10年，用以治疗一些缺血性疾病，如：高脂血症、高粘血症、高血压，脑血栓后遗症，心脑供血不足，冠心病，动脉硬化，脑梗塞，脑中风，心绞痛，心肌梗塞等疾病，效果非常好。近年来，半导体激光血管外照射治疗此类疾病的研究应用也逐渐增多。半导体激光血管外照射治疗和药物治疗效果相比，半导体激光血管外照射治疗能降低血液流变学等多项指标，并且与药物治疗有显著差异；与He-Ne激光血管内照射相比则无显著差异（数据相近）。但半导体激光血管外照射在治疗过程中不需刺破皮肤、血管，因此操作、应用都优于He-Ne激光血管内照射。在治疗疼痛性疾病方面，Eiichi Sakuraba，Akiko Sekine等研究和评估了连续波和脉冲式半导体激光对疼痛缓解的疗效，指出半导体激光对疼痛缓解有明显作用，而且当输出总能量相同时，脉冲激光照射对表面的麻醉比连续激光照射更有效。此外，半导体激光器照射治疗糖尿病性溃疡、皮肤创伤、神经衰弱、小儿肺炎、脑梗死、心肌梗塞等等都有应用的报导。

激光针灸与我国传统的针灸相类似，但它除了刺激穴位外，还加上了弱激光本身的生物效应。632nm的光波被称为“光维他命”，因此利用半导体激光进行穴位照射时最好选用与此相近的波长（如632.8nm）。半导体激光穴位照射与常规治疗相结合在许多疾病的治疗上都得到满意的效果，同时半导体激光器体积小、价格低，在理疗保健方面有进入一般家庭的趋势，我们相信，这也是半导体激光器使用的发展方向之一。

我们知道，半导体激光器缺点是激光性能受温度影响大，光束的发散角较大，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断提高。目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平而且光束质量也有了很大的提高。因此半导体激光器在医学应用上将取得更大的进展，发挥更大的作用。