自1962年世界上第一臺半導體激光器發(fā)明問世以來，半導體激光器發(fā)生了巨大的變化，極大地推動了其他科學技術(shù)的發(fā)展，被認為是二十世紀人類最偉大的發(fā)明之一。近十幾年來，半導體激光器的發(fā)展更為迅速，已成為世界上發(fā)展最快的一門激光技術(shù)。半導體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個光電子學領(lǐng)域，已成為當今光電子科學的核心技術(shù)。由于半導體激光器的體積小、結(jié)構(gòu)簡單、輸入能量低、壽命較長、易于調(diào)制以及價格較低廉等優(yōu)點，使得它目前在光電子領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛，已受到世界各國的高度重視。

一、半導體激光器

半導體激光器是以直接帶隙半導體材料構(gòu)成的 Pn 結(jié)或 Pin 結(jié)為工作物質(zhì)的一種小型化激光器。半導體激光工作物質(zhì)有幾十種，目前已制成激光器的半導體材料有砷化鎵、砷化銦、銻化銦、硫化鎘、碲化鎘、硒化鉛、碲化鉛、鋁鎵砷、銦磷砷等。半導體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式 、光泵式和高能電子束激勵式。絕大多數(shù)半導體激光器的激勵方式是電注入，即給 Pn 結(jié)加正向電壓，以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射 ，也就是說是個正向偏置的二極管 。因此半導體激光器又稱為半導體激光二極管。對半導體來說，由于電子是在各能帶之間進行躍遷 ，而不是在分立的能級之間躍遷，所以躍遷能量不是個確定值， 這使得半導體激光器的輸出波長展布在一個很寬的范圍上。它們所發(fā)出的波長在0.3～34μm之間。其波長范圍決定于所用材料的能帶間隙 ，最常見的是AlGaAs雙異質(zhì)結(jié)激光器，其輸出波長為750～890nm。

激光器結(jié)構(gòu)示意圖

半導體激光器制作技術(shù)經(jīng)歷了由擴散法到液相外延法(LPE)， 氣相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE)，MOCVD 方法(金屬有機化合物汽相淀積)，化學束外延(CBE)以及它們的各種結(jié)合型等多種工藝。半導體激光器最大的缺點是:激光性能受溫度影響大，光束的發(fā)散角較大(一般在幾度到20度之間)，所以在方向性、單色性和相干性等方面較差。但隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展， 半導體激光器的研究正向縱深方向推進 ，半導體激光器的性能在不斷地提高。以半導體激光器為核心的半導體光電子技術(shù)在 21 世紀的信息社會中將取得更大的進展，發(fā)揮更大的作用。

二、半導體激光器的工作原理

半導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 ，因此在半導體中要實現(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)注入必要的載流子來實現(xiàn)， 將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導帶中去 。當處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復合時 ，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。

2.要實際獲得相干受激輻射 ，必須使受激輻射在光學諧振腔內(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—珀羅腔)半導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。當激光器達到閥值時，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。對于新型半導體激光器而言，人們目前公認量子阱是半導體激光器發(fā)展的根本動力。量子線和量子點能否充分利用量子效應(yīng)的課題已延至本世紀，科學家們已嘗試用自組織結(jié)構(gòu)在各種材料中制作量子點，而GaInN 量子點已用于半導體激光器。

三、半導體激光器的發(fā)展歷史

20 世紀60年代初期的半導體激光器是同質(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n區(qū)注入。于是 ，在原來的pn結(jié)耗盡區(qū)內(nèi)實現(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體激光器。半導體激光器發(fā)展的第二階段是異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導體激光器， 它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層 ，如GaAs， GaAlAs 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)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 。

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(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，國外千瓦級的高功率半導體激光器已經(jīng)商品化，國內(nèi)樣品器件輸出已達到 600W。如果從激光波段的被擴展的角度來看，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(yīng)用，接著，波長為650nm、635nm的問世 ，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，也在加緊研制中。20世紀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中的多種應(yīng)用。980nm、850nm和780nm的器件在光學系統(tǒng)中已經(jīng)實用化。目前，垂直腔面發(fā)射激光器已用于千兆位以太網(wǎng)的高速網(wǎng)絡(luò)。

四、半導體激光器的應(yīng)用

半導體激光器是成熟較早、進展較快的一類激光器 ，由于它的波長范圍寬， 制作簡單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小 、重量輕、壽命長，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，目前已超過300種 。

1、在產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面的應(yīng)用

1）光纖通信。半導體激光器是光纖通信系統(tǒng)的唯一實用化光源，光纖通信已成為當代通信技術(shù)的主流。

2) 光盤存取。半導體激光已經(jīng)用于光盤存儲器，其最大優(yōu)點是存儲的聲音、文字和圖象信息量很大。采用藍、綠激光能夠大大提高光盤的存儲密。

3) 光譜分析。遠紅外可調(diào)諧半導體激光器已經(jīng)用于環(huán)境氣體分析，監(jiān)測大氣污染、汽車尾氣等。在工業(yè)上可用來 監(jiān)測氣相淀積的工藝過程。

4) 光信息處理。半導體激光器已經(jīng)用于光信息理系統(tǒng)。表面發(fā)射半導體激光器 二 維陣列是光并行處理系統(tǒng)的理想光源，將用于計算機和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

5) 激光微細工。借助于Q開關(guān)半導體激光器產(chǎn)生的高能量超短光沖，可對集成電路進行切 割、打孔等。

6) 激光報警器。半導體激光報警器用途 甚廣，包括防盜報警、水位報警、車距 報警等。

7) 激光打印機。高功率半導體激光器已經(jīng)用于激光打印機。采用藍、綠激光 能 夠大大提高打印速度和分辨 率。

8) 激光條碼掃描器。半導體激光條碼掃描器已經(jīng)廣泛用于商品的銷售，以及 圖書和檔案的管理。

9) 泵浦固體激光器。這是高功率半導體激光器的一個重要應(yīng)用，采用它來取代原來的氛燈，可以構(gòu)成全固態(tài)激光系統(tǒng)。

10) 高清晰度激光電視。不久的將來，沒有陰極射線管的半導體激光電視機可以 投放市場，它利用紅、藍、綠三色激光，估計其耗電量比現(xiàn)有的電視機低20%。

2、在醫(yī)療和生命科學研究方面的應(yīng)用

1)激光手術(shù)治療。半導體激光已經(jīng)用于軟組織切除，組織接合、凝固和汽化。普通外科、整形外科、皮膚科、泌尿科、婦產(chǎn)科等，均廣泛地采用了這項技術(shù)。

2)激光動力學治療。將對腫瘤有親合性的光敏物質(zhì)有選擇地聚集于癌組織內(nèi)，通過半導體激光照射，使癌組織產(chǎn)生活性氧，旨在使其壞死而對健康組織毫無 損害。

3)生命科學研究。使用半導體激光的“光鑷”，可以撲捉活細胞或染色體并移至 任意位置，已經(jīng)用于促進細胞合成，細胞相互作用等研究，還可以作為法醫(yī)取證的診斷技術(shù)。

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