一、激光原理介紹

激光具有單色性好、方向性好、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。1917年愛(ài)因斯坦提出“受激發(fā)射”理論，為人類打開(kāi)了激光技術(shù)的大門。

激光簡(jiǎn)單理解就是一束光，這束光的亮度很亮，通過(guò)把光聚集在一起，可以形成很高的能量，產(chǎn)生這種能量的設(shè)備叫激光器，我們來(lái)看一張激光器的結(jié)構(gòu)圖：

圖片看上去很簡(jiǎn)單，但圖片具體表達(dá)的是什么意思呢？

中間灰色的棒子叫YAG，中文名叫釔鋁石榴石（好繞口），其實(shí)看上去就是一根玻璃棒，在玻璃棒里放了一些釹元素，放了釹元素的玻璃棒看上去會(huì)變漂亮，玻璃棒變成了粉色。

為什么要放釹呢？

釹這種元素很不穩(wěn)重，一旦受到刺激就發(fā)光。

而我們需要激光，那么就要不停的刺激釹，釹就不停的發(fā)光，釹這種元素發(fā)出的光波長(zhǎng)很穩(wěn)定，是1064nm！好了，這個(gè)波長(zhǎng)超出了人眼能識(shí)別的范圍，我們看不見(jiàn)。

刺激釹元素的燈，叫泵浦燈，這個(gè)燈類似于日常用的日光燈，燈經(jīng)常閃來(lái)閃去是會(huì)壞的，過(guò)個(gè)幾年等變得不亮了就要更換。

激光棒激發(fā)出來(lái)的光要收集利用起來(lái)，就要用兩個(gè)光學(xué)鏡片堵在激光棒的兩邊，像兩個(gè)閘門一樣，讓光按照一定方向出來(lái)。

這個(gè)圖就是把3個(gè)激光器給串在一起，把激光能量一步一步加大，然后沿著紅色和黑色的路線傳輸。

因?yàn)榧す獾膫鬏斒遣捎霉饫w傳輸?shù)模@種激光器也叫光纖傳導(dǎo)激光器。

激光器的外觀是這樣的，要是在激光發(fā)射的過(guò)程中盯著激光器看，激光器里的電燈一閃一閃，會(huì)亮瞎大家的雙眼，所以在使用激光器的過(guò)程中，要戴好防護(hù)眼鏡。

剛才講了一款激光器，科學(xué)家們又根據(jù)產(chǎn)生激光的不同物質(zhì)，把激光器分成了氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器。

來(lái)張圖：

簡(jiǎn)單的理解就是，產(chǎn)生激光的物質(zhì)是氣體，就要?dú)怏w激光器，產(chǎn)生激光的物質(zhì)是固體，就叫固體激光器…

如果用專業(yè)的詞匯來(lái)介紹激光產(chǎn)生，位于激光諧振腔的增益介質(zhì)受到泵浦光激勵(lì)將增益介質(zhì)內(nèi)電子激發(fā)到更高的能級(jí)，然后釋放光子回到低能級(jí)。下圖表示了能級(jí)之間的光子-載流子變化。高能級(jí)電子自發(fā)釋放能量躍遷到低能級(jí)，被稱為自發(fā)輻射(光子發(fā)射)；低能級(jí)電子受到外部激勵(lì)，躍遷到高能級(jí)，被稱為受激吸收(光子吸收)；高能級(jí)的電子受到外界光子泵浦，釋放出同頻光子，躍遷到低能級(jí)，被稱為受激發(fā)射(相干光發(fā)射)；處于高能級(jí)的電子躍遷到低能級(jí)，產(chǎn)生的能量不以電磁輻射的形式釋放，被稱為非輻射躍遷。

受到泵浦光激勵(lì)的增益介質(zhì)放出大量光子，諧振腔的兩端的腔鏡可以對(duì)腔內(nèi)光束模式進(jìn)行選擇。部分光子在高反射率的激光諧振腔內(nèi)多次反射不泄露，這部分光子經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)的受激輻射放大過(guò)程，會(huì)形成高度簡(jiǎn)并度的光子束，從而形成激光。在增益芯片處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，有源區(qū)內(nèi)分子在能級(jí)上的分布遵從玻爾茲曼分布，低能級(jí)分布的粒子數(shù)遠(yuǎn)大于高能態(tài)分布的粒子數(shù)，此時(shí)受激吸收的概率大于受激輻射概率，無(wú)法實(shí)現(xiàn)激光的有效輸出。當(dāng)泵浦光持續(xù)泵浦增益介質(zhì)，分布在高能級(jí)的粒子數(shù)越來(lái)越多，最終實(shí)現(xiàn)高能級(jí)分布粒子數(shù)大于低能級(jí)的粒子數(shù)，被稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這個(gè)過(guò)程就是光放大。

二、半導(dǎo)體激光器的發(fā)明

剛才講了把激光器按不同結(jié)構(gòu)可分成了氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器。

這一章介紹的重點(diǎn)是半導(dǎo)體激光器的原理。

早在20世紀(jì)50年代，莫斯科列別捷夫物理研究所的Basov教授就已經(jīng)提出半導(dǎo)體激光器的設(shè)想，后續(xù)逐步研制出各種類型的半導(dǎo)體激光器。

1977年由日本東京工業(yè)大學(xué)Iga教授提出垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)，經(jīng)過(guò)四十余年的發(fā)展，VCSEL已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光通信、原子鐘、激光雷達(dá)等諸多領(lǐng)域。VCSEL 結(jié)構(gòu)引入可調(diào)諧外部諧振腔結(jié)構(gòu)被稱為垂直外腔面發(fā)射激光器(Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser,VECSEL)，VECSEL可以在外腔中插入調(diào)制器件對(duì)輸出激光進(jìn)行調(diào)制。

按照出光方向的差別，可以將半導(dǎo)體激光器分為兩類：垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VCSEL）和邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器(Edge Emitting Laser, EEL)。

三、垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VCSEL）介紹

垂直外腔面發(fā)射激光器是上世紀(jì)90 年代中期發(fā)展起來(lái)的，它的出現(xiàn)是為了克服困擾傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：如何產(chǎn)生具有基橫模高光束質(zhì)量的高功率激光輸出。

垂直外腔面發(fā)射激光器(VECSEL)，也被稱為半導(dǎo)體碟片激光器(SDL)，是一種相對(duì)較新的激光器家族成員。它可以通過(guò)改變半導(dǎo)體增益介質(zhì)中量子阱的材料組分和厚度來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)射波長(zhǎng)，結(jié)合腔內(nèi)倍頻可以覆蓋從紫外到遠(yuǎn)紅外的廣泛波長(zhǎng)范圍，在實(shí)現(xiàn)高功率輸出的同時(shí)保持低發(fā)散角圓形對(duì)稱激光光束。激光諧振腔由增益芯片底層DBR 結(jié)構(gòu)和外部輸出耦合鏡構(gòu)成。這種獨(dú)特的外部諧振腔結(jié)構(gòu)可以在腔內(nèi)插入光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)倍頻、差頻、鎖模等操作，使VECSEL 成為從生物光子學(xué)、光譜學(xué)、激光醫(yī)療到激光投影等各種應(yīng)用的理想激光源。

垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的諧振腔垂直于有源區(qū)所在平面，其輸出光與有源區(qū)平面垂直，如圖所示。

VCSEL 具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如體積小、頻率高、光束質(zhì)量較好、腔面損傷閾值大、生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單等。其在激光顯示、光通信和光時(shí)鐘等方面的應(yīng)用中，展示出十分優(yōu)異的性能。但是VCSEL 無(wú)法獲得瓦級(jí)以上的大功率激光，因此不能應(yīng)用于對(duì)功率有較高要求的領(lǐng)域中。

VCSEL 的激光諧振腔由有源區(qū)上下兩側(cè)的半導(dǎo)體材料多層外延結(jié)構(gòu)組成的分布式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR)構(gòu)成，與EEL 采用解理面構(gòu)成的激光諧振腔有很大區(qū)別。VCSEL 光學(xué)諧振腔方向垂直于芯片表面，激光輸出也垂直于芯片表面，兩側(cè)DBR的反射率也都比EEL解理面要高很多。

VCSEL 的激光諧振腔的長(zhǎng)度一般為幾微米，遠(yuǎn)小于EEL的mm量級(jí)的諧振腔，腔內(nèi)光場(chǎng)振蕩獲得的單程增益較低，雖然可以實(shí)現(xiàn)基橫模輸出，但是輸出功率只能達(dá)到數(shù)毫瓦。VCSEL 輸出激光光束的截面輪廓為圓形，而且發(fā)散角比邊發(fā)射型激光器光束發(fā)散角小很多。VCSEL實(shí)現(xiàn)高功率輸出需要增大發(fā)光區(qū)域提供更多的增益，而發(fā)光區(qū)域增大會(huì)導(dǎo)致輸出激光變成多模輸出，同時(shí)較大的發(fā)光區(qū)域內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)均勻的電流注入，電流注入不均勻會(huì)加劇廢熱積累。

總之，垂直腔面發(fā)射類型的半導(dǎo)體激光器(VCSEL)通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以輸出基模圓形對(duì)稱光斑，但是在單模輸出時(shí)輸出功率較低。

因此，常有將多個(gè)VCSEL集成后輸出方式。

四、邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器(Edge Emitting Laser, EEL)介紹

想要獲得大功率的半導(dǎo)體激光輸出，現(xiàn)階段的技術(shù)是采用邊緣發(fā)射的結(jié)構(gòu)方式。邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器的諧振腔由半導(dǎo)體晶體天然的解離面構(gòu)成，其輸出光束是從激光器的前端面發(fā)射的。

邊發(fā)射類型的半導(dǎo)體激光器(Edge Emitting Laser, EEL)可以實(shí)現(xiàn)大功率輸出，但是其輸出光斑呈橢圓形，光束質(zhì)量差，需要搭配光束整形系統(tǒng)修飾光束形貌。

下圖為邊發(fā)射型半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。EEL的光學(xué)腔是以兩個(gè)端面作為反射鏡，光學(xué)腔平行于半導(dǎo)體芯片表面，在半導(dǎo)體芯片的邊緣發(fā)射激光，可以實(shí)現(xiàn)高功率、高速率和低噪聲的激光輸出。但是EEL 輸出的激光光束一般有著不對(duì)稱的光束橫截面和較大的角發(fā)散，與光纖或其他光學(xué)元件的耦合效率低。

EEL 的輸出功率的提升會(huì)受到有源區(qū)廢熱積累和半導(dǎo)體表面光學(xué)損傷的限制。通過(guò)增大波導(dǎo)面積降低有源區(qū)廢熱積累來(lái)改善散熱，增加出光面積降低光束光功率密度來(lái)避免光學(xué)損傷，在單橫模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)幾百毫瓦的輸出功率。

對(duì)于100mm 量級(jí)的波導(dǎo)，單條邊發(fā)射激光器可以實(shí)現(xiàn)幾十瓦的輸出功率，但是此時(shí)波導(dǎo)在芯片的平面上是高度多模的，輸出光束的長(zhǎng)寬比也達(dá)到100：1，需要外加復(fù)雜的光束整形系統(tǒng)。

在材料技術(shù)和外延生長(zhǎng)技術(shù)等沒(méi)有新突破的前提下，提高單條半導(dǎo)體激光芯片輸出功率的主要途徑是增加芯片發(fā)光區(qū)域的條寬。然而過(guò)高地增加條寬容易產(chǎn)生橫向的高次模振蕩和絲狀振蕩，將大大降低出光的均勻性，且輸出功率并不隨條寬成比例增加，因此單條芯片的輸出功率是極其有限的。為了大幅提高輸出功率，陣列技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)通過(guò)將多個(gè)激光單元集成在同一片襯底上，使各個(gè)發(fā)光單元在慢軸方向上排列為一維陣列，只要采用光隔離技術(shù)將陣列中的各個(gè)發(fā)光單元隔開(kāi)，使其互不干擾，形成多孔徑激射，即可通過(guò)增加集成發(fā)光單元的數(shù)量來(lái)提高整個(gè)芯片的輸出功率。此種半導(dǎo)體激光芯片即為半導(dǎo)體激光陣列（LDA）芯片，也稱為半導(dǎo)體激光bar條。

五、結(jié)論

總之，面發(fā)射型半導(dǎo)體激光器具有良好的基模圓形對(duì)稱激光輸出，但是輸出功率較低，而邊緣發(fā)射型半導(dǎo)體激光器可以發(fā)射高功率輸出，但是激光光束為橢圓形。對(duì)于高功率操作，兩種類型的半導(dǎo)體激光器都會(huì)出現(xiàn)多模輸出光束，傳統(tǒng)的邊緣型或面發(fā)射型半導(dǎo)體激光器不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率輸出和良好的光束質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

(1)張卓 高功率垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的光束與波長(zhǎng)調(diào)控研究[D].

(2)茍于單 808nm、1064nm激...轉(zhuǎn)換芯片材料生長(zhǎng)及器件研究[D].

(3)賈冠男 大功率半導(dǎo)體激光陣列芯片封裝關(guān)鍵技術(shù)研究[D].

來(lái)自： 半導(dǎo)體全解