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成的 Pn 結或 Pin 結為工作物質的一種小型化激光器。半導體激光工作物質有幾十種，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。絕大多數半導體激光器的激勵方式是電注入，即給 Pn 結加正向電壓，以使在結平面區域產生受激發射 ，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 ，常見的是AlGaAs雙異質結激光器，其輸出波長為750～890nm。

半導體激光器制作技術經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)以及它們的各種結合型等多種工藝。半導體激光器較大的缺點是:激光性能受溫度影響大，光束的發散角較大(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。但隨著科學技術的迅速發展， 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在 21 世紀的信息社會中將取得更大的進展，發揮更大的作用。

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(有源區)內載流子的反轉分布，在半導體中代表電子能量的是由一系列接近于連續的能級所組成的能帶 ，因此在半導體中要實現粒子數反轉，必須在兩個能帶區域之間 ，處在高能態導帶底的電子數比處在低能態價帶頂的空穴數大很多，這靠給同質結或異質結加正向偏壓，向有源層內注入必要的載流子來實現， 將電子從能量較低的價帶激發到能量較高的導帶中去 。當處于粒子數反轉狀態的大量電子與空穴復合時 ，便產生受激發射作用。

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結平面相垂直的自然解理面構成F-p腔。

3.為了形成穩定振蕩，激光媒質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，即有足夠的粒子數反轉，粒子數反轉程度越高，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諧振并被放大，最后形成激光而連續地輸出。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展的根本動力。量子線和量子點能否充分利用量子效應的課題已延至本世紀，科學家們已嘗試用自組織結構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、半導體激光器的發展歷史

20 世紀60年代初期的半導體激光器是同質結型激光器，它是在一種材料上制作的 pn 結二極管。在正向大電流注入下電子不斷地向 p區注入，空穴不斷地向n區注入。于是 ，在原來的pn結耗盡區內實現了載流子分布的反轉， 由于電子的遷移速度比空穴的遷移速度快， 在有源區發生輻射、復合，發射出熒光，在一定的條件下發生激光 ，這是一種只能以脈沖形式工作的半導體激光器。半導體激光器發展的第二階段是異質結構半導體激光器， 它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層 ，如GaAs， GaAlAs 所組成， 先出現的是單異質結構激光器(1969 年)。單異質結注入型激光器(SHLD)GaAsP -N 結的 p 區之內 ，以此來降低閥值電流密度， 其數值比同質結激光器降低了一個數量級， 但單異質結激光器仍不能在室溫下連續工作 。

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用的推動下，高功率半導體激光器(連續輸出功率在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商品化，國內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，面發射激光器和垂直腔面發射激光器得到了迅速的發展，且已考慮了在超并行光電子學中的多種應用。980nm、850nm和780nm的器件在光學系統中已經實用化。目前，垂直腔面發射激光器已用于千兆位以太網的高速網絡。

四、半導體激光器的應用

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，并且由于體積小 、重量輕、壽命長，因此，品種發展快，應用范圍廣，目前已超過300種 。

1.在產業和技術方面的應用

1）光纖通信。半導體激光器是光纖通信系統的實用化光源，光纖通信已成為當代通信技術的主流。

2) 光盤存取。半導體激光已經用于光盤存儲器，其較大優點是存儲的聲音、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。遠紅外可調諧半導體激光器已經用于環境氣體分析，監測大氣污染、汽車尾氣等。在工業上可用來 監測氣相淀積的工藝過程。

4) 光信息處理。半導體激光器已經用于光信息理系統。表面發射半導體激光器 二 維陣列是光并行處理系統的理想光源，將用于計算機和光神經網絡。

5) 激光微細工。借助于Q開關半導體激光器產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用，采用它來取代原來的氛燈，可以構成全固態激光系統。

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，估計其耗電量比現有的電視機低20%。

2.在醫療和生命科學研究方面的應用

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

2)激光動力學治療。將對腫瘤有親合性的光敏物質有選擇地聚集于癌組織內，通過半導體激光照射，使癌組織產生活性氧，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，已經用于促進細胞合成，細胞相互作用等研究，還可以作為法醫取證的診斷技術。

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