半导体激光器

半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn结或Pin结为工作物质的小型化激光器。半导体激光加工材料有几十种。已制成激光器的半导体材料有砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、砷化铝镓、铟磷、砷等。半导体的激发方式主要有三种激光器，即电注入型、光泵型和高能电子束激发型。大多数半导体激光器的激发方式是电注入，即在Pn结上施加正向电压，在结面区域产生受激发射，即正向偏置二极管。因此，半导体激光器也被称为半导体激光二极管。对于半导体来说，由于电子在能带之间跃迁，而不是在离散的能级之间跃迁，跃迁能量不是一个确定的值，这使得半导体激光器的输出波长分布范围很广。范围内。它们发出的波长在 0.3 到 34 μm 之间。波长范围由所用材料的能带隙决定。最常见的是AlGaAs双异质结激光器，其输出波长为750-890 nm。

半导体激光制造技术经历了从扩散法到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、MOCVD法(金属有机化合物气相沉积)、化学束外延(CBE)以及它们的各种组合。半导体激光器最大的缺点是激光器性能受温度影响较大，光束发散角较大（一般在几度到20度之间），因此方向性、单色性和相干性较差。然而，随着科学技术的飞速发展，半导体激光器的研究正向深度方向推进，半导体激光器的性能也在不断提高。以半导体激光器为核心的半导体光电技术将在21世纪的信息社会中取得更大的进步，发挥更大的作用。

半导体激光器如何工作？

半导体激光器是相干辐射源。要使其产生激光，必须满足三个基本条件：

1.增益条件：激光介质（有源区）中载流子的反转分布成立。在半导体中，代表电子能量的能带是由一系列接近连续的能级组成的。因此，在半导体中，要实现粒子数反转，高能态导带底的电子数必须远大于低能态价带顶的空穴数。两个能带区域之间的状态。异质结被正向偏置，将必要的载流子注入有源层，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带。当处于总体反转状态的大量电子与空穴复合时，就会发生受激发射。

2、要真正获得相干受激辐射，受激辐射必须在光谐振腔中多次反馈，形成激光振荡。激光谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为镜子形成的，通常在不发光的一端镀上一层高反射率的多层介质膜，出光面镀上一层抗反射膜。对于 F-p 腔（法布里-珀罗腔）半导体激光器，利用晶体的自然解理面垂直于 p-n 结面可以很容易地形成 F-p 腔。

3、为了形成稳定的振荡，激光介质必须能够提供足够大的增益来补偿谐振腔造成的光损耗和激光从腔面输出的损耗等，并且持续不断增加腔内的光场。这需要足够强的电流注入，即有足够的种群反转，种群反转程度越高，获得的增益越大，即必须满足一定的电流阈值条件。当激光达到阈值时，特定波长的光可以在腔内谐振并被放大，最终形成激光并连续输出。可见，在半导体激光器中，电子和空穴的偶极跃迁是光发射和光放大的基本过程。对于新型半导体激光器，目前公认量子阱是基础推动半导体激光器的发展。量子线和量子点能否充分利用量子效应，已经延伸到本世纪。科学家们曾尝试使用自组织结构在各种材料中制造量子点，GaInN 量子点已用于半导体激光器。

半导体激光器的发展历程

1960 年代早期的半导体激光器是同质结激光器，它是在一种材料上制造的 pn 结二极管。在正向大电流注入下，电子连续注入p区，空穴连续注入n区。因此，在原来的pn结耗尽区实现了载流子分布的反转。由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，因此在有源区发生辐射和复合，并发出荧光。 lasing，一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。半导体激光器发展的第二个阶段是异质结构半导体激光器，由GaAs和GaAlAs等带隙不同的两层半导体材料薄层组成，单异质结构激光器最早出现（1969年）。单异质结注入激光器（SHLD）在GaAsP-N结的p区内降低阈值电流密度，比同质结激光器低一个数量级，但单异质结激光器仍然不能连续工作在室内温度。

1970年代后期以来，半导体激光器明显向两个方向发展，一个是以传输信息为目的的信息型激光器，另一个是以提高光功率为目的的功率型激光器。受泵浦固体激光器、大功率半导体激光器（连续输出功率100mw以上，脉冲输出功率5W以上可称为高功率半导体激光器）等应用驱动。

1990年代取得了突破，其标志是半导体激光器输出功率显着提高，国外千瓦级大功率半导体激光器商业化，国内样品器件输出达到600W。从激光波段的扩展来看，首先是红外半导体激光器，其次是670nm红色半导体激光器。随后，随着650nm和635nm波长的问世，蓝绿、蓝光半导体激光器也相继研发成功。 10mW 量级的紫色甚至紫外半导体激光器也在开发中。面发射激光器和垂直腔面发射激光器在 1990 年代后期发展迅速，并在超平行光电子学中得到了多种应用。 980nm、850nm 和 780nm 器件已经在光学系统中实用化。目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆以太网的高速网络。

半导体激光器的应用

半导体激光器是成熟较早、进步较快的一类激光器。由于其波长范围宽、制作简单、成本低、易于批量生产，并且由于其体积小、重量轻、寿命长等优点，在品种和应用方面发展迅速。种类繁多，目前有300余种。

一、在工业和技术上的应用

1）光纤通信。半导体激光器是光纤通信系统唯一实用的光源，光纤通信已成为当代通信技术的主流。

2) 光盘访问。半导体激光器已用于光盘存储器，其最大的优点是可以存储大量的声音、文本和图像信息。使用蓝色和绿色激光可以大大提高光盘的存储密度。

3) 光谱分析。远红外可调谐半导体激光器已用于环境气体分析、监测空气污染、汽车尾气等，可用于工业上监测气相沉积过程。

4) 光信息处理。半导体激光器已用于光学信息系统。表面发射半导体激光器的二维阵列是光学并行处理系统的理想光源，将用于计算机和光学神经网络。

5) 激光微细加工。借助调Q半导体激光器产生的高能超短光脉冲，可以对集成电路进行切割、冲压等。

6）激光报警。半导体激光报警器应用广泛，包括防盗报警器、水位报警器、车距报警器等。

7) 激光打印机。高功率半导体激光器已用于激光打印机。使用蓝色和绿色激光可以大大提高打印速度和分辨率