2024年3月20日发(作者：锁又槐)
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文章编号，１６７２－ｓ７ｓ５（２００７）０２—００３６—０４
ＩｎＧａＮ多量子阱激光器在ＳＬＡ ＲＰ
技术中的应用
李广宏，朱林泉
（中北大学信息与通信工程学院，山西太原０３００５１）
摘要：简单介绍了快速成型及其光固化（ＳＬＡ）技术，分析了ＳＬＡ中各种激光器光源的
特点。通过对量子阱原理的介绍，重点讨论了ＩｎＧａＮ基多量子阱激光器及其作为ＳＬＡ
的激光器光源的优点。最后对ＩｎＧａＮ基多量子阱激光器的发展应用进行了展望。
关键词：快速成型（ＲＰ）；光固化（ＳＬＡ）； ＩｎＧａＮ多量子阱激光器
中图分类号：ＴＨ１６ 文献标识码： Ａ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ—ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ
ＩｎＧａＮ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｉｎ ＳＬＡ ＲＰ Ｓｙｓｔｅｍ
ＬＩ Ｇｕａｎｇ—ｈｏｎｇ．ＺＨＵ Ｌｉｎ—ｑｕａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｘｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ｝Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１ ｒ Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔｅｒｅｌｉｔｈｇｒａｐｈｙ Ａｐｐａｒａｔｕｓ（ＳＬＡ）｝ｌ￣ｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｂｒｉｅｆ．Ｔｈｒｏｕｇｈ
ｔｈｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ，ｔｈｅ ＩｎＧａＮ—ｂａｓｅｄ ｍｕｌｔｉ—ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ
ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｓ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ＳＬＡ ａｒｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ｏｆ ｔｈｅ ＩｎＧａＮ—ｂａｓｅｄ ｍｕｌｔｉ—ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｌａｓｅｒ ａｒｅ ｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ；Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｇｒａｐｈｙ Ａｐｐａｒａｔｕｓ（ＳＬＡ）；ｍｕｌｔｉ—ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ
ＩｎＧａＮ ｓｅｍｉｃｏｎｄＵｃｔｏｒ
１引言 ２ ＳＬＡ的工作原理
以激光作为能源的快速成型是快速成型技
ＳＬＡ又称立体印刷（见图１）。在液槽中盛
术的重要组成部分，它集成了ＣＡＤ技术、数控
满液态光固化树脂，在一定波长（３２５ｎｍ）和强度
技术、激光技术和材料科学等现代科技成果。
（数十毫瓦）的紫外光照射下，该树脂就会在照射
激光快速成型是用ＣＡＤ生成的三维实体模型。
区域内固化。成型开始时，工作平台在液面下一
通过切片软件分层，将每个薄层断面的二维数
个确定的深度（如０．０５ｒａｍ至０，ｌｍｍ），聚集后的
据用于控制激光光束，或扫射液体，或烧结粉末
激光光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，
或切割薄片材料，加工出所需形状的薄层，将它
使树脂逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射
们逐层累积，形成三维实体模型。以此可形成三
的地方仍然是液态树脂。然后升降架带动平台
种相对应的应用广泛的快速成型技术：光固化成
再下降一层高度，已成型的层面上面又布满一
型技术（ＳＬＡ）、激光选区烧结技术（ＳＬＳ）和分层
层树脂，再进行第二层扫描，新固化的一层牢固
实体制造技术（ＬＯＭ）。本文着重研究以ＩｎＧａＮ
地粘在前一层上，如此重复，直到整个零件制造
多量子阱激光器为激光源的光固化成型技术。
完毕。
收稿日期，２００６－１０－－－１３
作者简介，李广宏（１９８１——），男，山东临沂人，在读硕士研究生，研究方向为光学和激光工程。
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．２８，Ｎｏ．２，ＦＥＢ ２００７
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繁２８ 鳍２期 …ｌ Ｉ＿ ０ 链髻 外 毒蠢 －。 誊
３ ＳＬＡ快速成型激光源
积、寿命和可靠性等指标上堪称最优，在光谱、
由于液态光敏树脂只有在紫外光的照射下
谱线宽度、功率等性能方面也完全符合ＳＬＡ的
才能固化成型，所以紫外激光器的选择是其首
工艺要求，因此现在进行这种新型能量源的研
要的问题．由于Ｈｅ－Ｃｄ气体激光器和Ａｒ＋气体
究已可成为现实。本文采用ＩｎＧａＮ多量子阱半
激光器问世较早，ＳＬＡ设备最早是使用这些紫
导体激光器产生的激光作为ＳＬＡ的光源，并对
外气体激光器作光源的，例如Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
其特性原理进行阐述。
公司、Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ公司和Ｋｉｍｍｏｎ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＵＳ ＬＰ公司生产的Ｈｅ￣Ｃｄ气体激光器。
４半导体量子阱激光器
这些激光器的波长为３２０ｎｍ、３２５ｎｍ，功率为
在量子力学中，能够对电子的运动产生某种
４０ｍＷ、５０ｍＷ，都适合于ＳＬＡ设备使用，但价
约束并使其能量量子化的势场被称为量子阱
格较昂贵。随着ＲＰＴ应用的推广和普及，人们 用两种禁带宽度不同的材料Ａ和Ｂ构成两个距
提出了降低设备制造成本和运行成本和装置小
离很近的背靠背异质结Ｂ／Ａ／Ｂ，若材料Ａ是窄
型化的要求，这样就产生了使用紫外灯和光纤
禁带半导体，且其导带低于材料Ｂ的导带底，则
技术的ＳＬＡ光源。但上述紫外灯的谱带较宽，
当其厚度（两个背靠背异质结的距离）小于电子
这对具有特定光吸收特性的材料的固化是不利
的平均自由程（１００ｎｍ）时，电子被约束在材料Ａ
的。此外，紫外灯发光面大，与光纤耦合时光能
中，形成以材料Ｂ为电子势垒、以材料Ａ为电
量损耗也大，而要纠正这一缺点，就必须增加聚
子势阱的量子阱。若材料Ａ的价带顶也高于材
光零件，这势必会使结构变得复杂，并使光源体
料Ｂ的价带顶，则该结构同时也是以材料Ｂ为
积增大。
空穴势垒、以材料Ａ为空穴势阱的量子阱。如果
以各自不变的厚度将上述Ａ、Ｂ两种薄层材料
周期性地交替叠合在一起，形成Ｂ／Ａ／Ｂ／Ａ…的
结构，且Ａ层厚度远小于Ｂ层厚度，该结构为
多量子阱。
液态光
树脂
量子阱是粒子（电子或空穴）在一维运动方
向受限制形成的 如果粒子在二维方向的运动
支持
受限制，则可制成量子线结构；同样，当粒子的
三个运动方向都受限制时，就可以形成量子点
图ｌ立体印刷
结构。量子阱结构的能带如图２所示。
近几年研制成功的用半导体激光器泵浦的
利用量子约束效应在半导体激光器的有源
紫外全固态激光器，进一步减小了器件体积，
层中形成量子能级，用这些量子能级间的电子
提高了寿命和可靠性．Ｃｒｙｓｔａｌａｓｅｒ公司生产的
跃迁支配激光器的受激辐射，即为量子阱激光
５０ｒｏＷ的３４９ｎｍ、３５１ｎｍ、３５５ｎｍ紫外全固态激
器。量子能级的形成使得只需很小的注入电流
光器的售价为２万美元，２５ｒｏＷ的售价为１．７万
就可达到粒子数反转。因此量子阱激光器具有
美元，显然这种先进光源成本很高。也有使用较
很低的阈值电流和高微分增益，同时激光器中
便宜的绿光激光器作为光源的，但目前光固化
电子和光子耦合的时间更短，具有更好的高速
材料的敏感光谱主要在紫外区。当光谱进入绿
调制特性。最基本的量子阱激光器就是把一般
光区时，就必须同时加大材料研究的力度，研制
双异质结激光器的有源层减薄到足以形成量子
吸收特性适合于绿光光谱的固化材料
能级的数十ｎｉｉｌ左右，使有源层成为一个单量子
紫外半导体激光器（ＬＤ）技术的发展，为ＳＬＡ
阱。但是，有源层的减薄会降低激光器在阈值电
ＲＰＴ提供了最好的光源，在电光效率、成本、体
流方面的性能。为克服这一负面影响，需要进
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．２８，Ｎｏ．２，ＦＥＢ ２００７
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能
量
电子 空间距离
多量子阱（ＭｑＷ） ★空穴 单量子阱（ｓ钾）
图２量子阱结构能带示意图
一
步把有源层做成多量子阱结构，即多量子阱
达到了１５０００ｈ。
激光器。此后在一般量子阱激光器的基础上又
５．２ ＩｎＧａＮ多量子阱结构激光器
发展了应变量子阱激光器。
图３是生长在ＥＬＯＧ衬底上的带有ＭＤ—ＳＬＳ
５ ＩｎＧａＮ基多量子阱激光器的原理
包层的ＩｎＧａＮ多量子阱激光器结构，它采用了
及其在ｓＬＡ上的应用
调制掺杂应变层超晶格（ＭＤ ＳＬＳ）和外延横向过
生长ＧａＮ（ＥＬＯＧ）衬底，其厚度在临界范围内，
５．１ ＧａＮ基ＬＤ技术的进展
其目的是防止Ａ１ＧａＮ层产生裂纹。在蓝宝石上
１９９６年初，Ｎｉｃｈｉａ公司首先实现了注入ＧａＮ
外延横向生长ＧａＮ可减少ＧａＮ层中的线位错的
基脉冲蓝光ＬＤ在室温条件下的运转。１９９６年
数目。这种激光器采用ＥＬＯＧ衬底，因为采用
底，该公司又采用脊波导结构实现了ＧａＮ基蓝
蓝宝石衬底难以得到用于常规ＬＤ腔的解理镜
紫光ＬＤ在室温条件下的连续运转。次年，采用
面，并且蓝宝石的热导率（１５Ｗ．ｃｍ．Ｋ）也不如
横向外延生长技术降低了ＧａＮ材料中的位错密
ＧａＮ（１１３Ｗ－ｃｍ・Ｋ）的高，不利于ＬＤ散热。这种
度，使蓝光ＬＤ在室温下的连续工作寿命超过了
激光器的寿命大约为１００００ｈ左右。另外，Ｓｈｕｊｉ
１００００ｈ。后来，在使用ＥＬＯＧ衬底时，在Ｎ型
Ｎａｋａｍｕｒａ等人还在蓝宝石衬底的ＥＬＯＧ上生长
Ａ１ＧａＮ侧采用了应变层超结构，大大提高了器
了ＩｎＧａＮ多量子阱结构的ＬＤ 在正常工作条
件的输出功率和寿命，制成的器件已经商品化。
件下，这种解理镜面的ＬＤ每面的输出功率可达
１９９８年，Ｎａｋａｍｕｖａ小组在ＥＬＯＧ衬底上制
４２０ｍＷ，在高达１００ｍＷ的输出功率下，可观测
到基横模。在５０℃环境温度和３０ｍＷ稳定输出
备了ＩｎＧａＮ多量子阱激光器，该激光器在室温
功率下，ＬＤ的控制脉冲工作寿命大于１６０ｈ。
下连续工作时的输出功率达到了４２０ｍＷ 在５０
温度变化引起的波长漂移为０．０６ｎｍ／Ｋ．
℃连续工作时的稳定输出为３０ｍＷ，寿命达到
了２５０ｈ，在２ｍＷ稳定输出功率下的连续工作寿
命达到４８０ｈ。为了在高输出功率、高温条件下
提高激光器的寿命，必须优化激光器的结构，降
低它的阈值电流。
１９９９年，Ｎａｋａｍｕｒａｓ小组在ＥＬＯＧ蓝宝石
衬底上制备了只有两层ＩｎＧａＮ量子阱结构的激
光器，该激光器最低阈值电流为１．２ｋａ／ｃｍ 和
２．８ｋａ／ｃｍ ，在２ｍＷ稳定输出功率下，其室温
连续工作寿命在５０００ｈ以上。目前Ｎｉｃｈｉａ公司在
图３ ＩｎＧａＮ多量子阱激光器结构
ＧａＮ基ＬＤ领域居于世界领先地位。最新的激光
５．３ ＩｎＧａＮ多量子阱激光器在ＳＬＡ上应用的优
器在３０ｍＷ输出功率下的室温连续工作寿命已
点
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．２８，ＮＯ．２，ＦＥＢ ２００７
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鸯； 蠹蜘 誊 ｌ荭 外 ．■≮≯。０ 一＿ｌ Ｉ－； ｌ¨
综上所述，ＩｎＧａＮ多量子阱激光器在ＳＬＡ 材料和外延生长技术方面还不够成熟和稳定，
上应用具有以下优点：
但趋势是不可避免的，它必将成为第三代半导体
（１）低阈值电流和高微分增益，具有高速调
激光器的发展方向。这种激光器一旦商品化，其
制特性，而且波长短，完全符合ＳＬＡ激光光源
应用前景将非常广泛。当然，对ＳＬＡ影响也将
的波长要求。
是巨大的，各方面必将会上一个新台阶。
（２）比Ｈｅ—Ｃｄ气体激光器寿命长，工作可靠，
且体积小，易于实现装置小型化，使ＳＬＡ ＲＰ设
参考文献
备成为一种桌面式三维打印系统的设想成为现
…朱林泉，朱苏磊．激光应用技术基础＿Ａｌ＿国防工业
实。
出版社，２００４，６３—６４．
（３）可在低电压下工作，有利于设备的安全
［２］李拴庆． ＧａＮ基半导体激光器发展动态研究【Ｊ】．
操作；其电光转换效率比Ｈｅ—Ｃｄ气体激光器高
半导体情报，２０００，（６）：１０ １６．
很多，有利于节能。
［３】梁春广，张冀． ＧａＮ——第三代半导体的曙光ｆＪ】．
（４）随着ＩｎＧａＮ多量子阱激光器技术的发
半导学报，１９９９，２０（２）：８９．
展，紫外波段、数十毫瓦的ＬＤ已经市场化，其
［４】郎佳红，顾彪，徐茵，等．ＧａＮ基半导体材料研究
价格也越来越便宜。形成新的光源模块后可直
进展【ＪＪ．激光与光电子学进展，２００３，（３）：４５－４９．
接与现有ＳＬＡ系统集成，可较大幅度地降低系
［５】Ｂ Ｓ Ｓｈｉｎ．Ａ ｎｅｗ ｒａｐｉｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ
统成本，项目风险也比较小。
ｍｕｌｔｉ—ｆａｃｅ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ［Ｊ】．Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒ—
ｍａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈ一
（５）由于ＬＤ在紫外波段可有多种波长选
ｎｏｌｏｇｙ．２００３．２２：６８—７４．
择，适合于不同改性光敏树脂材料的吸收特性，
［６】Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｂａｒｓ［ＥＢ／ＯＬ］．Ｄｏｒｔ—
因此有利于拓宽适用材料范围和提高材料的光
ｍｕｎｄ，Ｇｅｒｍａｎｙ，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．Ｌｉｍｏ．ｄｅ，２００１・０４－１６／
固化质量。
２００２．０３．
６结语
［７】Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｇｒａｄｉｕｍ Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｓ［ＥＢ／ＯＬ］．
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．１ｉｇｈ．ｎｅｔ，２００１—０８—１０／２００２—０３—２０．
目前，世界上有很多公司都在对ＧａＮ基多
［８】孟晓伟，王高．基于半导体激光器的快速成型能量源
量子阱ＬＤ进行研究和开发。虽然这种激光器在
ｆＪ１．应用基础与工程科学学报，２００５，（６）：２２２…２２５．
瞳日盏圜
用于评价金属试件腐蚀程度
的红外成像方法
美国专利Ｕ￥７１３５６８３
（２００６年１１月１４日授权）
本发明提供一种用于测定金属衬底上腐蚀生成物
数量和分布的红外成像方法。该方法先测定从未受腐蚀
的金属衬底上反射的红外能量；然后测定从已受腐蚀的
金属衬底上反射的红外能量；最后测定被腐蚀成分吸收
的红外能量。通过测定被金属衬底上腐蚀生成物吸收的
红外能量值，就可以计算出腐蚀生成物的量。
本专利文献共１４页，其中有７张插图。
高编译
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．２８，Ｎｏ．２，ＦＥＢ ２００７
2024年3月20日发(作者：锁又槐)
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巅蒜 ，ｌｌ０＝＝ ０≯ 鞴 ０
文章编号，１６７２－ｓ７ｓ５（２００７）０２—００３６—０４
ＩｎＧａＮ多量子阱激光器在ＳＬＡ ＲＰ
技术中的应用
李广宏，朱林泉
（中北大学信息与通信工程学院，山西太原０３００５１）
摘要：简单介绍了快速成型及其光固化（ＳＬＡ）技术，分析了ＳＬＡ中各种激光器光源的
特点。通过对量子阱原理的介绍，重点讨论了ＩｎＧａＮ基多量子阱激光器及其作为ＳＬＡ
的激光器光源的优点。最后对ＩｎＧａＮ基多量子阱激光器的发展应用进行了展望。
关键词：快速成型（ＲＰ）；光固化（ＳＬＡ）； ＩｎＧａＮ多量子阱激光器
中图分类号：ＴＨ１６ 文献标识码： Ａ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ—ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ
ＩｎＧａＮ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｉｎ ＳＬＡ ＲＰ Ｓｙｓｔｅｍ
ＬＩ Ｇｕａｎｇ—ｈｏｎｇ．ＺＨＵ Ｌｉｎ—ｑｕａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｘｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ｝Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１ ｒ Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔｅｒｅｌｉｔｈｇｒａｐｈｙ Ａｐｐａｒａｔｕｓ（ＳＬＡ）｝ｌ￣ｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｂｒｉｅｆ．Ｔｈｒｏｕｇｈ
ｔｈｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ，ｔｈｅ ＩｎＧａＮ—ｂａｓｅｄ ｍｕｌｔｉ—ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ
ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｓ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ＳＬＡ ａｒｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ｏｆ ｔｈｅ ＩｎＧａＮ—ｂａｓｅｄ ｍｕｌｔｉ—ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｌａｓｅｒ ａｒｅ ｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ；Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｇｒａｐｈｙ Ａｐｐａｒａｔｕｓ（ＳＬＡ）；ｍｕｌｔｉ—ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ
ＩｎＧａＮ ｓｅｍｉｃｏｎｄＵｃｔｏｒ
１引言 ２ ＳＬＡ的工作原理
以激光作为能源的快速成型是快速成型技
ＳＬＡ又称立体印刷（见图１）。在液槽中盛
术的重要组成部分，它集成了ＣＡＤ技术、数控
满液态光固化树脂，在一定波长（３２５ｎｍ）和强度
技术、激光技术和材料科学等现代科技成果。
（数十毫瓦）的紫外光照射下，该树脂就会在照射
激光快速成型是用ＣＡＤ生成的三维实体模型。
区域内固化。成型开始时，工作平台在液面下一
通过切片软件分层，将每个薄层断面的二维数
个确定的深度（如０．０５ｒａｍ至０，ｌｍｍ），聚集后的
据用于控制激光光束，或扫射液体，或烧结粉末
激光光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，
或切割薄片材料，加工出所需形状的薄层，将它
使树脂逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射
们逐层累积，形成三维实体模型。以此可形成三
的地方仍然是液态树脂。然后升降架带动平台
种相对应的应用广泛的快速成型技术：光固化成
再下降一层高度，已成型的层面上面又布满一
型技术（ＳＬＡ）、激光选区烧结技术（ＳＬＳ）和分层
层树脂，再进行第二层扫描，新固化的一层牢固
实体制造技术（ＬＯＭ）。本文着重研究以ＩｎＧａＮ
地粘在前一层上，如此重复，直到整个零件制造
多量子阱激光器为激光源的光固化成型技术。
完毕。
收稿日期，２００６－１０－－－１３
作者简介，李广宏（１９８１——），男，山东临沂人，在读硕士研究生，研究方向为光学和激光工程。
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．２８，Ｎｏ．２，ＦＥＢ ２００７
维普资讯
繁２８ 鳍２期 …ｌ Ｉ＿ ０ 链髻 外 毒蠢 －。 誊
３ ＳＬＡ快速成型激光源
积、寿命和可靠性等指标上堪称最优，在光谱、
由于液态光敏树脂只有在紫外光的照射下
谱线宽度、功率等性能方面也完全符合ＳＬＡ的
才能固化成型，所以紫外激光器的选择是其首
工艺要求，因此现在进行这种新型能量源的研
要的问题．由于Ｈｅ－Ｃｄ气体激光器和Ａｒ＋气体
究已可成为现实。本文采用ＩｎＧａＮ多量子阱半
激光器问世较早，ＳＬＡ设备最早是使用这些紫
导体激光器产生的激光作为ＳＬＡ的光源，并对
外气体激光器作光源的，例如Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
其特性原理进行阐述。
公司、Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ公司和Ｋｉｍｍｏｎ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＵＳ ＬＰ公司生产的Ｈｅ￣Ｃｄ气体激光器。
４半导体量子阱激光器
这些激光器的波长为３２０ｎｍ、３２５ｎｍ，功率为
在量子力学中，能够对电子的运动产生某种
４０ｍＷ、５０ｍＷ，都适合于ＳＬＡ设备使用，但价
约束并使其能量量子化的势场被称为量子阱
格较昂贵。随着ＲＰＴ应用的推广和普及，人们 用两种禁带宽度不同的材料Ａ和Ｂ构成两个距
提出了降低设备制造成本和运行成本和装置小
离很近的背靠背异质结Ｂ／Ａ／Ｂ，若材料Ａ是窄
型化的要求，这样就产生了使用紫外灯和光纤
禁带半导体，且其导带低于材料Ｂ的导带底，则
技术的ＳＬＡ光源。但上述紫外灯的谱带较宽，
当其厚度（两个背靠背异质结的距离）小于电子
这对具有特定光吸收特性的材料的固化是不利
的平均自由程（１００ｎｍ）时，电子被约束在材料Ａ
的。此外，紫外灯发光面大，与光纤耦合时光能
中，形成以材料Ｂ为电子势垒、以材料Ａ为电
量损耗也大，而要纠正这一缺点，就必须增加聚
子势阱的量子阱。若材料Ａ的价带顶也高于材
光零件，这势必会使结构变得复杂，并使光源体
料Ｂ的价带顶，则该结构同时也是以材料Ｂ为
积增大。
空穴势垒、以材料Ａ为空穴势阱的量子阱。如果
以各自不变的厚度将上述Ａ、Ｂ两种薄层材料
周期性地交替叠合在一起，形成Ｂ／Ａ／Ｂ／Ａ…的
结构，且Ａ层厚度远小于Ｂ层厚度，该结构为
多量子阱。
液态光
树脂
量子阱是粒子（电子或空穴）在一维运动方
向受限制形成的 如果粒子在二维方向的运动
支持
受限制，则可制成量子线结构；同样，当粒子的
三个运动方向都受限制时，就可以形成量子点
图ｌ立体印刷
结构。量子阱结构的能带如图２所示。
近几年研制成功的用半导体激光器泵浦的
利用量子约束效应在半导体激光器的有源
紫外全固态激光器，进一步减小了器件体积，
层中形成量子能级，用这些量子能级间的电子
提高了寿命和可靠性．Ｃｒｙｓｔａｌａｓｅｒ公司生产的
跃迁支配激光器的受激辐射，即为量子阱激光
５０ｒｏＷ的３４９ｎｍ、３５１ｎｍ、３５５ｎｍ紫外全固态激
器。量子能级的形成使得只需很小的注入电流
光器的售价为２万美元，２５ｒｏＷ的售价为１．７万
就可达到粒子数反转。因此量子阱激光器具有
美元，显然这种先进光源成本很高。也有使用较
很低的阈值电流和高微分增益，同时激光器中
便宜的绿光激光器作为光源的，但目前光固化
电子和光子耦合的时间更短，具有更好的高速
材料的敏感光谱主要在紫外区。当光谱进入绿
调制特性。最基本的量子阱激光器就是把一般
光区时，就必须同时加大材料研究的力度，研制
双异质结激光器的有源层减薄到足以形成量子
吸收特性适合于绿光光谱的固化材料
能级的数十ｎｉｉｌ左右，使有源层成为一个单量子
紫外半导体激光器（ＬＤ）技术的发展，为ＳＬＡ
阱。但是，有源层的减薄会降低激光器在阈值电
ＲＰＴ提供了最好的光源，在电光效率、成本、体
流方面的性能。为克服这一负面影响，需要进
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．２８，Ｎｏ．２，ＦＥＢ ２００７
维普资讯
能
量
电子 空间距离
多量子阱（ＭｑＷ） ★空穴 单量子阱（ｓ钾）
图２量子阱结构能带示意图
一
步把有源层做成多量子阱结构，即多量子阱
达到了１５０００ｈ。
激光器。此后在一般量子阱激光器的基础上又
５．２ ＩｎＧａＮ多量子阱结构激光器
发展了应变量子阱激光器。
图３是生长在ＥＬＯＧ衬底上的带有ＭＤ—ＳＬＳ
５ ＩｎＧａＮ基多量子阱激光器的原理
包层的ＩｎＧａＮ多量子阱激光器结构，它采用了
及其在ｓＬＡ上的应用
调制掺杂应变层超晶格（ＭＤ ＳＬＳ）和外延横向过
生长ＧａＮ（ＥＬＯＧ）衬底，其厚度在临界范围内，
５．１ ＧａＮ基ＬＤ技术的进展
其目的是防止Ａ１ＧａＮ层产生裂纹。在蓝宝石上
１９９６年初，Ｎｉｃｈｉａ公司首先实现了注入ＧａＮ
外延横向生长ＧａＮ可减少ＧａＮ层中的线位错的
基脉冲蓝光ＬＤ在室温条件下的运转。１９９６年
数目。这种激光器采用ＥＬＯＧ衬底，因为采用
底，该公司又采用脊波导结构实现了ＧａＮ基蓝
蓝宝石衬底难以得到用于常规ＬＤ腔的解理镜
紫光ＬＤ在室温条件下的连续运转。次年，采用
面，并且蓝宝石的热导率（１５Ｗ．ｃｍ．Ｋ）也不如
横向外延生长技术降低了ＧａＮ材料中的位错密
ＧａＮ（１１３Ｗ－ｃｍ・Ｋ）的高，不利于ＬＤ散热。这种
度，使蓝光ＬＤ在室温下的连续工作寿命超过了
激光器的寿命大约为１００００ｈ左右。另外，Ｓｈｕｊｉ
１００００ｈ。后来，在使用ＥＬＯＧ衬底时，在Ｎ型
Ｎａｋａｍｕｒａ等人还在蓝宝石衬底的ＥＬＯＧ上生长
Ａ１ＧａＮ侧采用了应变层超结构，大大提高了器
了ＩｎＧａＮ多量子阱结构的ＬＤ 在正常工作条
件的输出功率和寿命，制成的器件已经商品化。
件下，这种解理镜面的ＬＤ每面的输出功率可达
１９９８年，Ｎａｋａｍｕｖａ小组在ＥＬＯＧ衬底上制
４２０ｍＷ，在高达１００ｍＷ的输出功率下，可观测
到基横模。在５０℃环境温度和３０ｍＷ稳定输出
备了ＩｎＧａＮ多量子阱激光器，该激光器在室温
功率下，ＬＤ的控制脉冲工作寿命大于１６０ｈ。
下连续工作时的输出功率达到了４２０ｍＷ 在５０
温度变化引起的波长漂移为０．０６ｎｍ／Ｋ．
℃连续工作时的稳定输出为３０ｍＷ，寿命达到
了２５０ｈ，在２ｍＷ稳定输出功率下的连续工作寿
命达到４８０ｈ。为了在高输出功率、高温条件下
提高激光器的寿命，必须优化激光器的结构，降
低它的阈值电流。
１９９９年，Ｎａｋａｍｕｒａｓ小组在ＥＬＯＧ蓝宝石
衬底上制备了只有两层ＩｎＧａＮ量子阱结构的激
光器，该激光器最低阈值电流为１．２ｋａ／ｃｍ 和
２．８ｋａ／ｃｍ ，在２ｍＷ稳定输出功率下，其室温
连续工作寿命在５０００ｈ以上。目前Ｎｉｃｈｉａ公司在
图３ ＩｎＧａＮ多量子阱激光器结构
ＧａＮ基ＬＤ领域居于世界领先地位。最新的激光
５．３ ＩｎＧａＮ多量子阱激光器在ＳＬＡ上应用的优
器在３０ｍＷ输出功率下的室温连续工作寿命已
点
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．２８，ＮＯ．２，ＦＥＢ ２００７
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综上所述，ＩｎＧａＮ多量子阱激光器在ＳＬＡ 材料和外延生长技术方面还不够成熟和稳定，
上应用具有以下优点：
但趋势是不可避免的，它必将成为第三代半导体
（１）低阈值电流和高微分增益，具有高速调
激光器的发展方向。这种激光器一旦商品化，其
制特性，而且波长短，完全符合ＳＬＡ激光光源
应用前景将非常广泛。当然，对ＳＬＡ影响也将
的波长要求。
是巨大的，各方面必将会上一个新台阶。
（２）比Ｈｅ—Ｃｄ气体激光器寿命长，工作可靠，
且体积小，易于实现装置小型化，使ＳＬＡ ＲＰ设
参考文献
备成为一种桌面式三维打印系统的设想成为现
…朱林泉，朱苏磊．激光应用技术基础＿Ａｌ＿国防工业
实。
出版社，２００４，６３—６４．
（３）可在低电压下工作，有利于设备的安全
［２］李拴庆． ＧａＮ基半导体激光器发展动态研究【Ｊ】．
操作；其电光转换效率比Ｈｅ—Ｃｄ气体激光器高
半导体情报，２０００，（６）：１０ １６．
很多，有利于节能。
［３】梁春广，张冀． ＧａＮ——第三代半导体的曙光ｆＪ】．
（４）随着ＩｎＧａＮ多量子阱激光器技术的发
半导学报，１９９９，２０（２）：８９．
展，紫外波段、数十毫瓦的ＬＤ已经市场化，其
［４】郎佳红，顾彪，徐茵，等．ＧａＮ基半导体材料研究
价格也越来越便宜。形成新的光源模块后可直
进展【ＪＪ．激光与光电子学进展，２００３，（３）：４５－４９．
接与现有ＳＬＡ系统集成，可较大幅度地降低系
［５】Ｂ Ｓ Ｓｈｉｎ．Ａ ｎｅｗ ｒａｐｉｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ
统成本，项目风险也比较小。
ｍｕｌｔｉ—ｆａｃｅ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ［Ｊ】．Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒ—
ｍａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈ一
（５）由于ＬＤ在紫外波段可有多种波长选
ｎｏｌｏｇｙ．２００３．２２：６８—７４．
择，适合于不同改性光敏树脂材料的吸收特性，
［６】Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｂａｒｓ［ＥＢ／ＯＬ］．Ｄｏｒｔ—
因此有利于拓宽适用材料范围和提高材料的光
ｍｕｎｄ，Ｇｅｒｍａｎｙ，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．Ｌｉｍｏ．ｄｅ，２００１・０４－１６／
固化质量。
２００２．０３．
６结语
［７】Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｇｒａｄｉｕｍ Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｓ［ＥＢ／ＯＬ］．
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．１ｉｇｈ．ｎｅｔ，２００１—０８—１０／２００２—０３—２０．
目前，世界上有很多公司都在对ＧａＮ基多
［８】孟晓伟，王高．基于半导体激光器的快速成型能量源
量子阱ＬＤ进行研究和开发。虽然这种激光器在
ｆＪ１．应用基础与工程科学学报，２００５，（６）：２２２…２２５．
瞳日盏圜
用于评价金属试件腐蚀程度
的红外成像方法
美国专利Ｕ￥７１３５６８３
（２００６年１１月１４日授权）
本发明提供一种用于测定金属衬底上腐蚀生成物
数量和分布的红外成像方法。该方法先测定从未受腐蚀
的金属衬底上反射的红外能量；然后测定从已受腐蚀的
金属衬底上反射的红外能量；最后测定被腐蚀成分吸收
的红外能量。通过测定被金属衬底上腐蚀生成物吸收的
红外能量值，就可以计算出腐蚀生成物的量。
本专利文献共１４页，其中有７张插图。
高编译
ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．２８，Ｎｏ．２，ＦＥＢ ２００７