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光學工程
半導體激光器在光固化快速成型中的應用

      引言
      自從1962年世界上第一臺半導體激光器(diode laser)發明問世以來,由于其體積小、重量輕、易于調制、效率高以及價格低廉等優點,被認為是20世紀人類最偉大的發明之一。40幾年來半導體激光器逐步應用在激光唱機、光存儲器、激光打印機、條形碼解讀器、光纖電信、激光快速成型以及激光光譜學中,并不斷擴大應用范圍,進入了一些其它類型激光器難以進入的新的應用領域。
1.半導體激光器的發展概況
       半導體激光器是以半導體材料(主要是化合物半導體)作為工作物質。以電流注入作為激勵方式的一種小型化激光器。它必須滿足三個基本要素:1)pn結區的電子-空穴復合,提供光增益;2)正向偏置pn結提供載流子注入;3)垂直于結的兩個解理端面形成f-p諧振腔提供反饋。
       世界上第一臺半導體激光器是同質結的,即和普通的pn結二極管一樣。這種同質結激光器有源區的厚度為電子擴散長度量級(微米量級),閾值電流密度需達到105a/cm2,因此只能在液氮溫度(77k)和脈沖狀態下工作。1967年出現的單異質結半導體激光器由兩種不同帶隙的半導體材料薄層所組成,利用高帶隙勢壘的阻擋作用。使閾值電流密度降低了一個數量級,并實現了在室溫下脈沖工作。但不久便被1970年出現的雙異質結激光器所取代。雙異質結激光器是將窄帶隙并具有高折射率的半導體材料夾在兩個寬帶隙并具有低折射率的半導體材料之間,因而可以利用帶隙勢壘和光波導將載流子和光子有效地限制在有源區內。從而使閾值電流密度又降低了一個數量級。并實現了室溫下連續工作。1978年出現的量子阱激光器是把窄帶隙超薄層夾在兩個寬帶隙勢壘薄層之間。由于有源層的厚度被減少到同電子德布羅意波長(約為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內有兩個自由電子氣。提高了注入有源層內載流子,的利用率,降低了閾值電流密度(50a/cm2)。
      從20世紀70年代末開始,半導體激光器明顯向著兩個方向發展。一類是以傳遞信息為應用目的的信息型激光器.另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器。在泵浦固體激光器等應用的推動下。高功率半導體激光器(連續輸出功率在100mw以上,脈沖輸出功率在5w以上。均可稱之為高功率半導體激光器)在20世紀90年代取得了突破性進展,其標志是半導體激光器的輸出功率顯著增加。國外kw級的高功率半導體激光器已經商品化,國內樣品器件輸出已達到600w。如果從擴展激光波段的角度來看,先是紅外半導體激光器,接著是670nm紅光半導體激光器大量進入應用,接著是波長為650nm、635nm的可見光激光器問世,藍綠光、藍光半導體激光器也相繼研制成功,10mw量級的紫光乃至紫外光半導體激光器,已經研制成功且市面上已有出售。
2.當前主要的半導體激光器產品
       半導體激光器由于廣泛地應用,在國際和國內已經形成相當規模的產業。nanoplus、laser components cmbh、vertlas gmbh等都是當前國際上主要的半導體激光器供應商。lager components cmbh提供了波長為635-25μm最廣的半導體激光器。其中包括一系列的紅外單模半導體激光器(3~10μm),760 nm、850nm、794nm以及現在己擴展到1.5-2μm之間的單模vcsel激光器,以及1.25~1.75μm的dfb半導體激光器等。       vertlas gmbh是全球主要的vcsel激光器供應者之一,這些vcsel激光器的波長范圍為1.3~2μm,可調諧波長范圍為3nm。主要用于光纖通信技術及氣體監測。此外相干(coherent)公司生產的無鋁材料半導體激光器(aaa)。基于無鋁材料(ingaasp)半導體工藝,有效地避免了有源區的氧化問題。從而使半導體激光器具有更高的效率和更長的壽命。相干公司采用mbe方法生產外延片,生產過程可控性強,生產出的外延片性能、質量一致性好。可獲得性能一致、可靠性強的半導體激光器產品。能夠提供的波長范圍為675-980nm的半導體激光器。另外相干公司還提供紫外半導體激光器。波長在375nm,具體型號為cube375-8e和radius 375-8。這樣就為半導體激光器在光固化快速成型的應用成為現實。

3.半導體激光器在光固化快速成型中的應用
       光固化成型技術(sla)是由charles hull在1984年申請了美國專利。光固化快速成型制造技術不同于傳統的材料去除制造方法。成型原理如圖l所示。液槽中盛滿液態光敏樹脂。它在紫外激光束的照射下快速固化。成型開始時,可升降工作臺使其處于液面下一個層厚的地方。聚焦后的紫外激光束在計算機的控制下按截面輪廓進行掃描,使掃描區域的液態樹脂固化,形成該層面的固化層。然后工作臺下降一層高度,其上覆蓋另一層液態樹脂,再進行第二層的掃描同化,與此同時新固化的一層牢固地粘結在前一層上,如此重復直到整個產品完成。
      sla設備最早使用he-cd氣體激光器和ar+氣體激光器作為光源,但價格較昂貴、電光轉換效率低、工作可靠性低。隨著sla推廣應用的普及,要求降低設備制造成本和運行成本,并且要求裝置小型化,這樣就產生了使用紫外燈和光纖技術的sla光源。但上述紫外燈的譜帶較寬。這對具有特定光吸收特性的材料固化是不利的。另外,紫外燈發光面大,與光纖耦合時光能量損耗也大,而要糾正這一缺點,就必須增加聚光零件。使結構復雜,并使光源體積增大。
      紫外半導體激光器技術的發展,為sla rpt提供了最好的光源.在電光效率、成本、體積、壽命和可靠性等指標上堪稱最優,在光譜、譜線寬度、功率等性能方面也完全符合sla的工藝要求.因此現在進行這種新型能量源的研究已成為現實。這種新穎能量源具有以下優點。1)ld比he-cd氣體激光器壽命長、工作可靠,且體積小易于實現裝置小型緊湊,使sla rp設備成為一種桌面式三維打印系統的設想成為現實。2)ld在低電壓下工作,有利于設備的安全操作;其電光轉換效率比he-cd氣體激光器高很多,有利于節能。3)隨著半導體激光器技術的發展,紫外半導體激光器已有產品問世。如上文所述的相干公司的cube 375-8e和radius 375-8。均可滿足要求。形成新的光源模塊后直接與現有sla系統集成,可較大幅度地降低系統成本,項目風險也小。
4.結論
      綜上所述由于半導體激光器體積小、光電轉換效率高、壽命長、可靠性高、易于調制等優點,使其在激光技術中占有重要的地位,已經成功運用到電子學的各個領域。紫外半導體激光器的商品化,使得作為光固化快速成型的新型光源成為現實。必將充分發揮半導體激光器的優勢。并將大力推動光固化快速成型設備的桌面三維打印系統的實現。

 


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