半導(dǎo)體激光器的工作原理及應(yīng)用

激光技術(shù)最早于1960年面世，是一種因刺激產(chǎn)生輻射而強(qiáng)化的光。激光被廣泛應(yīng)用是因?yàn)樗哂袉紊院?、方向性?qiáng)、亮度高等特性。激光技術(shù)的原理是：當(dāng)光或電流的能量撞擊某些晶體或原子等易受激發(fā)的物質(zhì)，使其原子的電子達(dá)到受激發(fā)的高能量狀態(tài)，當(dāng)這些電子要回復(fù)到平靜的低能量狀態(tài)時，原子就會射出光子，以放出多余的能量；而接著，這些被放出的光子又會撞擊其它原子，激發(fā)更多的原子產(chǎn)生光子，引發(fā)一連串的“連鎖反應(yīng)”，并且都朝同一個方前進(jìn)，形成強(qiáng)烈而且集中朝向某個方向的光。

這種光就叫做激光。激光幾乎是一種單色光波，頻率范圍極窄，又可在一個狹小的方向內(nèi)集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以對各種材料進(jìn)行打孔。激光因?yàn)閾碛羞@種特性，所以擁有廣泛的應(yīng)用。

激光技術(shù)的核心是激光器，世界上第一臺激光器是1960年由T.H.梅曼等人制成的第紅寶石激光器，激光器的種類很多，可按工作物質(zhì)、激勵方式、運(yùn)轉(zhuǎn)方式、工作波長等不同方法分類。但各種激光器的基本工作原理均相同，產(chǎn)生激光的必不可少的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵（或抽運(yùn)）源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質(zhì)兩個部分。

半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展及隨之而來的晶體管的發(fā)明，使科學(xué)家們早在50年代就設(shè)想發(fā)明半導(dǎo)體激光器。在1962年7月美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的兩名學(xué)者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）報告了砷化鎵材料的光發(fā)射現(xiàn)象，通用電氣研究實(shí)驗(yàn)室工程師哈爾（Hall）與其他研究人員一道研制出世界上第一臺半導(dǎo)體激光器。

半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的一類激光器，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，產(chǎn)生激光的具體過程比較特殊。常用材料有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。自1962年世界上第一只半導(dǎo)體激光器是問世以來，經(jīng)過幾十年來的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長從紅外、紅光到藍(lán)綠光，被蓋范圍逐漸擴(kuò)大，各項(xiàng)性能參數(shù)也有了很大的提高！半導(dǎo)體激光器具有體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此可廣泛應(yīng)用于激光通信、印刷制版、光信息處理等方面。

半導(dǎo)體激光器的發(fā)展簡史

世界上第一只半導(dǎo)體激光器是1962年問世的，經(jīng)過幾十年來的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長從紅外、紅光到藍(lán)綠光，被蓋范圍逐漸擴(kuò)大，各項(xiàng)性能參數(shù)也有了很大的提高，其制作技術(shù)經(jīng)歷了由擴(kuò)散法到液相外延法(LPE)，氣相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE),MOCVD方法(金屬有機(jī)化合物汽相淀積)，化學(xué)束外延(CBE)以及它們的各種結(jié)合型等多種工藝。

其激射閉值電流由幾百mA降到幾十mA，直到亞mA，其壽命由幾百到幾萬小時，乃至百萬小時從最初的低溫(77K)下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到宰la下連續(xù)工作。輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級(陣列器件)它具有效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能、功率轉(zhuǎn)換效率高(已達(dá)10%以上、最大可達(dá)50%)。便于直接調(diào)制、省電等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大.目前，固定波長半導(dǎo)體激光器的使用數(shù)量居所有激光器之首，某些重要的應(yīng)用領(lǐng)域過去常用的其他激光器，已逐漸為半導(dǎo)體激光器所取代。

20世紀(jì)60年代初期的半導(dǎo)體激光器是同質(zhì)結(jié)型激光器，它是在一種材料上制作的pn結(jié)二極管。在正向大電流注入下，電子不斷地向P區(qū)注入，空穴不斷地向1"1區(qū)注入。于是，在原來的pn結(jié)耗盡區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了載流子分布的反轉(zhuǎn)，由于電子的遷移速度比空穴的遷移速度快，在有源區(qū)發(fā)生輻射、復(fù)合，發(fā)射出熒光，在一定的條件下發(fā)生激光。這是一種只能以脈沖形式工作的半導(dǎo)體激光器。

半導(dǎo)體激光器發(fā)展的第二階段是異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器，它是由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層。如GaAs。GaAIAs所組成，最先出現(xiàn)的是單異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器(1969年)。單異質(zhì)結(jié)注入型激光器(SHLD)是利用異質(zhì)結(jié)提供的勢壘把注入電子限制在GaAsP—N結(jié)的P區(qū)之內(nèi)，以此來降低閥值電流密度，其數(shù)值比同質(zhì)結(jié)激光器降低了一個數(shù)量級，但單異質(zhì)結(jié)激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作。

1970年，實(shí)現(xiàn)了激光波長為9000A，室溫連續(xù)工作的雙異質(zhì)結(jié)caAs—GaAIAs(砷化鎵一鎵鋁砷)激光器。雙異質(zhì)結(jié)激光器(DHL)的誕生使可用波段不斷拓寬，線寬和調(diào)諧性能逐步提高，其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在P型和n型材料之間生長了僅有0。2tt。m厚的，不摻雜的，具有較窄能隙材料的一個薄層，因此注A。00載流子被限制在該區(qū)域內(nèi)(有源區(qū))，因而注人較少的電流就可以實(shí)現(xiàn)載流子數(shù)的反轉(zhuǎn)。在半導(dǎo)體激光器件中。目前比較成熟、性能較好、應(yīng)用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器。

隨著異質(zhì)結(jié)激光器的研究發(fā)展，加之由于MBE、MOCVD技術(shù)的成就，于是，在1978年出現(xiàn)了世界上第一只半導(dǎo)體量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半導(dǎo)體激光器的各種性能。后來，又由于MOCVD、MBE生長技術(shù)的成熟，能生長出高質(zhì)量超精細(xì)薄層材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半導(dǎo)體激光器與雙異質(zhì)結(jié)(DH)激光器相比，具有閾值電流低、輸出功率高，頻率響應(yīng)好，光譜線窄和溫度穩(wěn)定性好和較高的電光轉(zhuǎn)換效率等許多優(yōu)點(diǎn)。

從20世紀(jì)70年代末開始，半導(dǎo)體激光器明顯向著兩個方向發(fā)展，一類是以傳遞信息為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(yīng)用的推動下，高功率半導(dǎo)體激光器(連續(xù)輸出功率在100mw以上，脈沖輸出功率在5W以上，均可稱之謂高功率半導(dǎo)體激光器)在20世紀(jì)90年代取得了突破性進(jìn)展，其標(biāo)志是半導(dǎo)體激光器的輸出功率顯著增加。

20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的面發(fā)射激光器(SEL)是一種在室溫下可達(dá)到亞毫安的網(wǎng)電流8mW的輸出功率和11%的轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體激光器。20世紀(jì)90年代末，面發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器得到了迅速的發(fā)展，且已考慮了在超并行光電子學(xué)中的多種應(yīng)用。980nm,850nm和780nm的器件在光學(xué)系統(tǒng)中已實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。

為了滿足21世紀(jì)信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量化以及軍用裝備的小型、高精度化等需要，半導(dǎo)體激光器在高速寬帶LD、大功率ID，短波長LD，盆子線和量子點(diǎn)激光器、中紅外LD等方面取得了一系列引人矚目的成果。

半導(dǎo)體激光器的工作原理

半導(dǎo)體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個基本條件：

1、增益條件：建立起激射媒質(zhì)(有源區(qū))內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布，在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級所組成的能帶，因此在半導(dǎo)體中要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注人必要的載流子來實(shí)現(xiàn)。將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去。當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。

2、要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜。對F—p腔(法布里一珀羅腔)半導(dǎo)體激光器可以很方便地利用晶體的與P—n結(jié)平面相垂直的自然解理面一[110]面構(gòu)成F—P腔。

3、為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場。這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當(dāng)激光器達(dá)到閥值時，具有特定波長的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。

可見在半導(dǎo)體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發(fā)射和光放大過程。對于新型半導(dǎo)體激光器而言，人們目前公認(rèn)量子阱是半導(dǎo)體激光器發(fā)展的根本動力。量子線和量子點(diǎn)能否充分利用量子效應(yīng)的課題已延至本世紀(jì)，科學(xué)家們已嘗試用自組織結(jié)構(gòu)在各種材料中制作量子點(diǎn)，而GaInN量子點(diǎn)已用于半導(dǎo)體激光器。另外，科學(xué)家也已經(jīng)做出了另一類受激輻射過程的量子級聯(lián)激光器，這種受激輻射基于從半導(dǎo)體導(dǎo)帶的一個次能級到同一能帶更低一級狀態(tài)的躍遷，由于只有導(dǎo)帶中的電子參與這種過程，因此它是單極性器件。

半導(dǎo)體激光器的工作特性

1??閾值電流

當(dāng)注入p-n結(jié)的電流較低時，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達(dá)閾值電流時，p-n結(jié)產(chǎn)生激光。

影響閾值的幾個因素：

（1）晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。

（2）諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。

（3）與半導(dǎo)體材料結(jié)型有關(guān)，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。目前，室溫下同質(zhì)結(jié)的閾值電流大于30000A/cm2；單異質(zhì)結(jié)約為8000A/cm2；雙異質(zhì)結(jié)約為1600A/cm2?，F(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器。

（4）溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的三次方增加。因此，半導(dǎo)體激光器最好在低溫和室溫下工作。

2、方向性

由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達(dá)20°-30°；在結(jié)的水平面內(nèi)約為10°左右。

3、效率

量子效率 ?η＝每秒發(fā)射的光子數(shù)／每秒到達(dá)結(jié)區(qū)的電子空穴對數(shù)

77K時，GaAs激光器量子效率達(dá)70％－80％；300K時，降到30％左右。

功率效率η1＝輻射的光功率／加在激光器上的電功率

由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結(jié)器件，室溫時的η1最高10％，只有在低溫下才能達(dá)到30％－40％。

4、光譜特性

由于半導(dǎo)體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復(fù)合輻射發(fā)生在能帶（導(dǎo)帶與價帶）之間，所以激光線寬較寬，GaAs激光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見其單色性較差。輸出激光的峰值波長：77K時為840nm；300K時為902nm。

異質(zhì)結(jié)激光器的工作過程

半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣，基本結(jié)構(gòu)是圖示出的雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)射不同的光波長。圖中標(biāo)出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.1~0.3 μm的窄帶隙P型半導(dǎo)體，稱為有源層；兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體，稱為限制層。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底)上，前后兩個晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里 - 珀羅(FP)諧振腔。

雙異質(zhì)結(jié)（DH）平面條形激光器的基本結(jié)構(gòu)

由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后， P層的空穴和N層的電子注入有源層。P層帶隙寬，導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴(kuò)散到P層。同理， 注入到有源層的空穴也不可能擴(kuò)散到N層。這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1~0.3 μm的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。

另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因而電/光轉(zhuǎn)換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。?

(a) 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b) 能帶；(c) 折射率分布；(d) 光功率分布

半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用

在激光光譜學(xué)中的應(yīng)用

激光光譜是以激光為光源的光譜技術(shù)，主要用于分子光譜、等離子物理、高階諧波產(chǎn)生的科學(xué)應(yīng)用及大氣污染的監(jiān)測和癌癥的診斷等。而選用半導(dǎo)體激光器作為激光光譜學(xué)的光源中有較多優(yōu)勢，它體積小，輸入能量低，壽命長，可協(xié)調(diào)性強(qiáng)且價格低廉。例如圖即為“SPECDILASV—763—OXY"VCSEL所探測的氧氣的吸收光譜(半導(dǎo)體激光器的工作溫度為Top=10℃,Iset=4.6mA,加32Hz,10.6mV的鋸齒波,256次平均)?？梢钥闯?通過改變工作電流很容易地得到氧氣的兩個吸收峰,無模式跳躍。

用760nmVCSEL激光器測得的氧氣吸收光譜

在光固化成型技術(shù)中的應(yīng)用

光固化成型法（Stereo lithography Appearance，簡稱SLA）是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，由于它成型過程自動化程度高、制作原型表面質(zhì)量好、尺寸精度較高且能夠?qū)崿F(xiàn)比較精細(xì)的尺寸成型，在單件小批量精密鑄造、概念設(shè)計(jì)的交流、產(chǎn)品模型、快速工模具及直接面向產(chǎn)品的模具等諸多方面廣泛應(yīng)用于航空、汽車、電器、消費(fèi)品以及醫(yī)療等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。其成型原理如圖2所示,用特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由點(diǎn)到線,由線到面順序凝固,完成一個層面的繪圖作業(yè),然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度,再固化另一個層面.這樣層層疊加直至構(gòu)成一個三維實(shí)體。

而紫外半導(dǎo)體激光器技術(shù)的發(fā)展，為SLA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(biāo)上堪稱最優(yōu)，在光譜、譜線寬度、功率等性能方面也完全符合其工藝要求，因此現(xiàn)在進(jìn)行這種新型光源的研究已成為現(xiàn)實(shí)。

在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

伴隨激光技術(shù)的日趨成熟，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個光電子學(xué)領(lǐng)域，它在軍事領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，成為我國國防事業(yè)不可或缺的中堅(jiān)力量。如半導(dǎo)體激光雷達(dá)，主要是波長820~850 nm 的LD 及列陣。新型半導(dǎo)體激光雷達(dá)與被動探測（紅外系統(tǒng)）相結(jié)合，具有多種成像功能，包括強(qiáng)度成像、距離成像和速度成像等，具有先進(jìn)的實(shí)時圖像處理功能，包括各種成像的綜合、圖像跟蹤和目標(biāo)的自動識別等。

此外，半導(dǎo)體激光器也在激光測距、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

在醫(yī)療上的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器體積小、成本低、壽命長、波長可選擇、輸出功率穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于醫(yī)療設(shè)備，其臨床應(yīng)用幾乎覆蓋了所有其他類型的激光器的應(yīng)用范圍。如低功率810nm近紅外半導(dǎo)體激光器，由于該波長的激光穿透能力強(qiáng)，屈光間質(zhì)對它吸收最少，光斑直徑可調(diào)范圍大 ,是眼科中最常用的熱源，可用于治療青光眼、硅油注入術(shù)后難治性高眼壓以及視網(wǎng)膜的光凝和固定等；810nm半導(dǎo)體激光起能夠很好被毛囊內(nèi)黑色素吸收，產(chǎn)生熱效應(yīng)，破壞毛囊，完成脫毛的效果；大功率半導(dǎo)體激光器也廣泛應(yīng)用于腫瘤的激光切割、凝固手術(shù)。這些都為人類的健康進(jìn)一步提供了保障。

在通信領(lǐng)域的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器在信息的獲取，傳輸，存儲和處理以及顯示中也得到廣泛應(yīng)用。21世紀(jì)，隨著光纖通信的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器光作為光纖通信系統(tǒng)中的光源，是關(guān)鍵元件,是整個系統(tǒng)的核心部分,短距離的光纖通信采用單模光纖和130~150nm波長的半導(dǎo)體激光器,空間通信用列陣半導(dǎo)體激光器。全球光纖通信市場前景廣闊,因此,半導(dǎo)體激光器的市場前景也是非常好的。

在激光打印及印刷市場中的應(yīng)用

激光打印機(jī)脫胎于80年代末的激光照排技術(shù)，流行于90年代中期。它是將激光掃描技術(shù)和電子照相技術(shù)相結(jié)合的打印輸出設(shè)備。較其他打印設(shè)備，激光打印機(jī)有打印速度快、成像質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。10-100nm的高功率半導(dǎo)體激光器主要用于高速激光打印機(jī)。一般為網(wǎng)絡(luò)化辦公打印機(jī),包括新出現(xiàn)的彩色激光打印機(jī)(打印速度為12-35p/min)。用激光把資料直接寫在印刷板上正成為印刷技術(shù)工業(yè)的一種發(fā)展趨勢,不僅節(jié)省很多中間環(huán)節(jié)、降低成本,而且加快了速度，因此此種應(yīng)用預(yù)計(jì)會穩(wěn)定增長，如采用1W二極管激光器64元陣列、用光纖藕合配以透鏡系統(tǒng)。目前多數(shù)激光、計(jì)算機(jī)、印刷系統(tǒng)采用鹵素銀或光敏有機(jī)物的光敏材料。杜邦公司、柯達(dá)公司等均在致力于開發(fā)此類熱敏材料,采用半導(dǎo)體激光器日益增多,此項(xiàng)應(yīng)用市場也呈蓬勃發(fā)展。

編輯：黃飛

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