一、半導體激光器

半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)器是(shi)(shi)以(yi)直接帶(dai)(dai)隙(xi)半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)材(cai)料構成(cheng)的(de) Pn 結(jie)(jie)或 Pin 結(jie)(jie)為工(gong)作(zuo)物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)一種小型(xing)化(hua)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)器。半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)工(gong)作(zuo)物(wu)質(zhi)(zhi)有幾(ji)十(shi)種，目前已制成(cheng)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)器的(de)半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)材(cai)料有砷化(hua)鎵、砷化(hua)銦(yin)、銻化(hua)銦(yin)、硫化(hua)鎘(ge)、碲(di)(di)化(hua)鎘(ge)、硒化(hua)鉛(qian)、碲(di)(di)化(hua)鉛(qian)、鋁鎵砷、銦(yin)磷砷等。半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)器的(de)激(ji)(ji)(ji)勵方(fang)(fang)式(shi)主要有三種，即電(dian)注(zhu)入(ru)式(shi) 、光(guang)(guang)泵式(shi)和高能(neng)電(dian)子束激(ji)(ji)(ji)勵式(shi)。絕大多(duo)數半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)器的(de)激(ji)(ji)(ji)勵方(fang)(fang)式(shi)是(shi)(shi)電(dian)注(zhu)入(ru)，即給(gei) Pn 結(jie)(jie)加正(zheng)(zheng)向電(dian)壓(ya)，以(yi)使在(zai)結(jie)(jie)平面(mian)區域產生受激(ji)(ji)(ji)發射 ，也就是(shi)(shi)說是(shi)(shi)個(ge)(ge)正(zheng)(zheng)向偏置的(de)二極管 。因此半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)器又稱為半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)二極管。對半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)來(lai)說，由于電(dian)子是(shi)(shi)在(zai)各(ge)能(neng)帶(dai)(dai)之(zhi)間(jian)進行躍遷(qian) ，而不是(shi)(shi)在(zai)分立的(de)能(neng)級之(zhi)間(jian)躍遷(qian)，所(suo)(suo)以(yi)躍遷(qian)能(neng)量(liang)不是(shi)(shi)個(ge)(ge)確定(ding)值， 這使得(de)半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)器的(de)輸出波(bo)長展布(bu)在(zai)一個(ge)(ge)很寬的(de)范圍上。它們(men)所(suo)(suo)發出的(de)波(bo)長在(zai)0.3～34μm之(zhi)間(jian)。其波(bo)長范圍決定(ding)于所(suo)(suo)用(yong)材(cai)料的(de)能(neng)帶(dai)(dai)間(jian)隙(xi) ，常見的(de)是(shi)(shi)AlGaAs雙異質(zhi)(zhi)結(jie)(jie)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)器，其輸出波(bo)長為750～890nm。

半(ban)(ban)(ban)(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)制作技術(shu)經歷了由擴散(san)法(fa)(fa)到液相(xiang)外(wai)(wai)延(yan)法(fa)(fa)(LPE)， 氣相(xiang)外(wai)(wai)延(yan)法(fa)(fa)(VPE)，分子(zi)束(shu)外(wai)(wai)延(yan)法(fa)(fa)(MBE)，MOCVD 方(fang)法(fa)(fa)(金屬有機化合物(wu)汽相(xiang)淀積)，化學束(shu)外(wai)(wai)延(yan)(CBE)以(yi)及它們的各(ge)種結合型(xing)等多種工藝(yi)。半(ban)(ban)(ban)(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)較(jiao)(jiao)(jiao)大的缺(que)點(dian)是:激(ji)光(guang)性(xing)能(neng)受溫度(du)影響大，光(guang)束(shu)的發(fa)散(san)角較(jiao)(jiao)(jiao)大(一般在幾度(du)到20度(du)之間)，所(suo)以(yi)在方(fang)向性(xing)、單色性(xing)和(he)相(xiang)干性(xing)等方(fang)面較(jiao)(jiao)(jiao)差。但隨(sui)著科學技術(shu)的迅(xun)速發(fa)展， 半(ban)(ban)(ban)(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)的研究正向縱深方(fang)向推進 ，半(ban)(ban)(ban)(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)的性(xing)能(neng)在不斷地提高。以(yi)半(ban)(ban)(ban)(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器(qi)為核心的半(ban)(ban)(ban)(ban)導(dao)體(ti)光(guang)電(dian)子(zi)技術(shu)在 21 世紀的信息社會(hui)中將(jiang)取得更(geng)大的進展，發(fa)揮更(geng)大的作用。

二、半導體激光器的工作原理

半(ban)導體激光器是一種相干(gan)輻射光源，要(yao)使它(ta)能產生(sheng)激光，必須具備三(san)個基(ji)本條件 :

1.增益(yi)條件:建(jian)立起激射媒質(zhi)(zhi)(有(you)源區)內載(zai)流(liu)子(zi)(zi)的(de)反轉分布(bu)，在半導體中(zhong)代表(biao)電(dian)子(zi)(zi)能(neng)量(liang)的(de)是由一系(xi)列接近于(yu)連續(xu)的(de)能(neng)級所組(zu)成的(de)能(neng)帶(dai) ，因此在半導體中(zhong)要(yao)實現粒(li)子(zi)(zi)數(shu)反轉，必須(xu)在兩個(ge)能(neng)帶(dai)區域之間 ，處(chu)在高能(neng)態導帶(dai)底的(de)電(dian)子(zi)(zi)數(shu)比處(chu)在低能(neng)態價帶(dai)頂的(de)空(kong)穴(xue)數(shu)大很多，這(zhe)靠(kao)給同質(zhi)(zhi)結(jie)(jie)或(huo)異質(zhi)(zhi)結(jie)(jie)加正向(xiang)偏壓(ya)，向(xiang)有(you)源層內注入必要(yao)的(de)載(zai)流(liu)子(zi)(zi)來實現， 將電(dian)子(zi)(zi)從能(neng)量(liang)較低的(de)價帶(dai)激發(fa)到能(neng)量(liang)較高的(de)導帶(dai)中(zhong)去 。當處(chu)于(yu)粒(li)子(zi)(zi)數(shu)反轉狀態的(de)大量(liang)電(dian)子(zi)(zi)與空(kong)穴(xue)復合(he)時(shi) ，便產生受(shou)激發(fa)射作用。

2.要實際(ji)獲(huo)得相干受激輻(fu)射(she) ，必須使受激輻(fu)射(she)在(zai)光學諧振腔(qiang)(qiang)(qiang)內得到多(duo)次(ci)反(fan)饋而形(xing)(xing)成(cheng)激光振蕩，激光器(qi)(qi)的(de)諧振腔(qiang)(qiang)(qiang)是由半導(dao)體(ti)(ti)晶(jing)體(ti)(ti)的(de)自(zi)然解理面(mian)作為反(fan)射(she)鏡形(xing)(xing)成(cheng)的(de)，通常在(zai)不出(chu)光的(de)那一端(duan)鍍上高反(fan)多(duo)層介質膜(mo)，而出(chu)光面(mian)鍍上減反(fan)膜(mo)。對F—p 腔(qiang)(qiang)(qiang)(法布里—珀羅(luo)腔(qiang)(qiang)(qiang))半導(dao)體(ti)(ti)激光器(qi)(qi)可以(yi)很方便地利用晶(jing)體(ti)(ti)的(de)與 p-n結平面(mian)相垂直的(de)自(zi)然解理面(mian)構成(cheng)F-p腔(qiang)(qiang)(qiang)。

3.為了形成穩定振蕩(dang)，激(ji)(ji)光(guang)(guang)媒(mei)質必(bi)須(xu)(xu)能(neng)提供足夠(gou)大(da)(da)的(de)(de)增益，以彌補諧振腔(qiang)引(yin)起的(de)(de)光(guang)(guang)損(sun)耗及從(cong)腔(qiang)面的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)輸出(chu)等引(yin)起的(de)(de)損(sun)耗，不斷增加腔(qiang)內(nei)的(de)(de)光(guang)(guang)場。這(zhe)就必(bi)須(xu)(xu)要(yao)有(you)足夠(gou)強的(de)(de)電流(liu)(liu)注入，即(ji)(ji)有(you)足夠(gou)的(de)(de)粒子(zi)數反轉(zhuan)，粒子(zi)數反轉(zhuan)程(cheng)度(du)越高，得到(dao)的(de)(de)增益就越大(da)(da)，即(ji)(ji)要(yao)求必(bi)須(xu)(xu)滿(man)足一(yi)定的(de)(de)電流(liu)(liu)閥值條件。當激(ji)(ji)光(guang)(guang)器(qi)達到(dao)閥值時，具有(you)特定波(bo)長的(de)(de)光(guang)(guang)就能(neng)在腔(qiang)內(nei)諧振并被(bei)放大(da)(da)，最后形成激(ji)(ji)光(guang)(guang)而連(lian)續地輸出(chu)。可見在半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器(qi)中，電子(zi)和空穴的(de)(de)偶極子(zi)躍遷是(shi)基本(ben)的(de)(de)光(guang)(guang)發(fa)射和光(guang)(guang)放大(da)(da)過程(cheng)。對于新型半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器(qi)而言，人們(men)(men)目前公認量(liang)(liang)子(zi)阱是(shi)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器(qi)發(fa)展(zhan)的(de)(de)根本(ben)動力。量(liang)(liang)子(zi)線和量(liang)(liang)子(zi)點(dian)能(neng)否(fou)充分(fen)利用量(liang)(liang)子(zi)效(xiao)應的(de)(de)課題已延至本(ben)世紀(ji)，科學家們(men)(men)已嘗試用自組織(zhi)結構在各種(zhong)材料中制(zhi)作量(liang)(liang)子(zi)點(dian)，而GaInN 量(liang)(liang)子(zi)點(dian)已用于半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器(qi)。

三、半導體激光器的發展歷史

20 世紀(ji)60年(nian)代初期的(de)(de)(de)半(ban)(ban)(ban)導(dao)體(ti)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)是(shi)同(tong)質結(jie)型激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)，它(ta)是(shi)在(zai)一種材料(liao)上制作的(de)(de)(de) pn 結(jie)二極管。在(zai)正向(xiang)大電流(liu)注(zhu)入(ru)下(xia)電子(zi)不(bu)斷地(di)向(xiang) p區(qu)(qu)(qu)注(zhu)入(ru)，空穴(xue)不(bu)斷地(di)向(xiang)n區(qu)(qu)(qu)注(zhu)入(ru)。于是(shi) ，在(zai)原來(lai)的(de)(de)(de)pn結(jie)耗(hao)盡區(qu)(qu)(qu)內實(shi)現了載(zai)流(liu)子(zi)分布的(de)(de)(de)反轉， 由于電子(zi)的(de)(de)(de)遷(qian)移速(su)度比(bi)空穴(xue)的(de)(de)(de)遷(qian)移速(su)度快(kuai)， 在(zai)有(you)源區(qu)(qu)(qu)發生(sheng)輻射、復合，發射出(chu)熒光(guang)(guang)(guang)(guang)，在(zai)一定的(de)(de)(de)條件下(xia)發生(sheng)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang) ，這是(shi)一種只能以脈沖形(xing)式工(gong)作的(de)(de)(de)半(ban)(ban)(ban)導(dao)體(ti)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)。半(ban)(ban)(ban)導(dao)體(ti)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)發展的(de)(de)(de)第二階(jie)段是(shi)異(yi)(yi)質結(jie)構半(ban)(ban)(ban)導(dao)體(ti)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)， 它(ta)是(shi)由兩種不(bu)同(tong)帶隙的(de)(de)(de)半(ban)(ban)(ban)導(dao)體(ti)材料(liao)薄層(ceng) ，如GaAs， GaAlAs 所(suo)組成(cheng)， 先出(chu)現的(de)(de)(de)是(shi)單異(yi)(yi)質結(jie)構激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(1969 年(nian))。單異(yi)(yi)質結(jie)注(zhu)入(ru)型激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(SHLD)GaAsP -N 結(jie)的(de)(de)(de) p 區(qu)(qu)(qu)之內 ，以此來(lai)降低(di)閥值電流(liu)密度， 其數值比(bi)同(tong)質結(jie)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)降低(di)了一個數量級， 但單異(yi)(yi)質結(jie)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)仍不(bu)能在(zai)室溫下(xia)連續工(gong)作 。

從20世(shi)紀70年(nian)代末開始，半導體(ti)激光(guang)(guang)(guang)器(qi)明顯向著兩個方向發展 ， 一類是(shi)以傳遞(di)信(xin)息(xi)為(wei)目(mu)的的信(xin)息(xi)型激光(guang)(guang)(guang)器(qi)，另一類是(shi)以提高(gao)光(guang)(guang)(guang)功(gong)(gong)率為(wei)目(mu)的的功(gong)(gong)率型激光(guang)(guang)(guang)器(qi) 。在泵浦固(gu)體(ti)激光(guang)(guang)(guang)器(qi)等(deng)應(ying)用的推動下，高(gao)功(gong)(gong)率半導體(ti)激光(guang)(guang)(guang)器(qi)(連續輸出(chu)功(gong)(gong)率在100mw以上，脈沖輸出(chu)功(gong)(gong)率在 5W 以上，均可稱之謂高(gao)功(gong)(gong)率半導體(ti)激光(guang)(guang)(guang)器(qi))。

在 20 世紀90年代取得(de)了(le)突破性進展(zhan)，其(qi)標志是半(ban)導(dao)(dao)體激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)輸(shu)出功(gong)率(lv)(lv)顯(xian)著(zhu)(zhu)增(zeng)加(jia)，國外千瓦級(ji)的(de)(de)(de)(de)高功(gong)率(lv)(lv)半(ban)導(dao)(dao)體激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)已(yi)經商品化，國內樣品器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)輸(shu)出已(yi)達到 600W。如果從激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)波段的(de)(de)(de)(de)被擴(kuo)展(zhan)的(de)(de)(de)(de)角度來看，先是紅外半(ban)導(dao)(dao)體激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)，接著(zhu)(zhu)是 670nm 紅光(guang)(guang)(guang)(guang)半(ban)導(dao)(dao)體激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)大量(liang)進入應(ying)用，接著(zhu)(zhu)，波長為650nm、635nm的(de)(de)(de)(de)問世 ，藍綠光(guang)(guang)(guang)(guang)、藍光(guang)(guang)(guang)(guang)半(ban)導(dao)(dao)體激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)也相繼研(yan)制(zhi)成功(gong)，10mW 量(liang)級(ji)的(de)(de)(de)(de)紫光(guang)(guang)(guang)(guang)乃至(zhi)紫外光(guang)(guang)(guang)(guang)半(ban)導(dao)(dao)體激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)，也在加(jia)緊研(yan)制(zhi)中。20世紀90年代末，面(mian)發(fa)射(she)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)和(he)垂(chui)直(zhi)腔面(mian)發(fa)射(she)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)得(de)到了(le)迅速的(de)(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)，且(qie)已(yi)考(kao)慮(lv)了(le)在超并行光(guang)(guang)(guang)(guang)電子學中的(de)(de)(de)(de)多種應(ying)用。980nm、850nm和(he)780nm的(de)(de)(de)(de)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)在光(guang)(guang)(guang)(guang)學系(xi)統中已(yi)經實用化。目(mu)前(qian)，垂(chui)直(zhi)腔面(mian)發(fa)射(she)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)已(yi)用于千兆位以太網的(de)(de)(de)(de)高速網絡。

四、半導體激光器的應用

半導體激光器(qi)是成(cheng)熟較早(zao)、進展較快的一類激光器(qi) ，由于它的波(bo)長(chang)范圍寬， 制作(zuo)簡(jian)單(dan)、成(cheng)本低、易于大(da)量生產，并且由于體積小 、重量輕、壽(shou)命長(chang)，因此(ci)，品種發(fa)展快，應用范圍廣，目前已超過(guo)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(shi)光纖通信系統(tong)的(de)實用(yong)化光源，光纖通信已成為當(dang)代通信技術的(de)主流。

2) 光盤(pan)存(cun)取。半導(dao)體激(ji)光已(yi)經用(yong)于光盤(pan)存(cun)儲(chu)器，其較大(da)(da)優點(dian)是存(cun)儲(chu)的(de)聲音(yin)、文(wen)字和圖(tu)象(xiang)信息量很大(da)(da)。采(cai)用(yong)藍(lan)、綠激(ji)光能夠大(da)(da)大(da)(da)提(ti)高光盤(pan)的(de)存(cun)儲(chu)密。

3) 光譜分析。遠(yuan)紅外可(ke)(ke)調諧半導(dao)體激(ji)光器已經用于環境氣(qi)體分析，監測大氣(qi)污(wu)染、汽(qi)車尾(wei)氣(qi)等。在(zai)工(gong)業上可(ke)(ke)用來 監測氣(qi)相淀積的工(gong)藝過程。

4) 光信息處理(li)。半導(dao)體激光器已經用于光信息理(li)系(xi)統。表(biao)面發射半導(dao)體激光器 二 維陣列是光并行處理(li)系(xi)統的(de)理(li)想光源，將用于計算機(ji)和光神經網絡。

5) 激(ji)光(guang)(guang)微細工(gong)。借助于(yu)Q開關半導體激(ji)光(guang)(guang)器產生的高能量超短(duan)光(guang)(guang)沖(chong)，可對集成電路進行切 割、打孔等。

6) 激光報警(jing)(jing)器。半(ban)導體(ti)激光報警(jing)(jing)器用途 甚(shen)廣，包括防盜報警(jing)(jing)、水位(wei)報警(jing)(jing)、車距 報警(jing)(jing)等。

7) 激光打印機(ji)。高(gao)功率半導(dao)體(ti)激光器已經用(yong)于激光打印機(ji)。采用(yong)藍、綠激光 能(neng) 夠大(da)大(da)提(ti)高(gao)打印速(su)度和(he)分辨 率。

8) 激(ji)光條(tiao)碼(ma)掃(sao)描(miao)器(qi)。半導體激(ji)光條(tiao)碼(ma)掃(sao)描(miao)器(qi)已經廣泛用(yong)于商(shang)品的銷售，以及 圖書和檔案的管理。

9) 泵浦固體(ti)激光器。這是(shi)高(gao)功率半(ban)導體(ti)激光器的一個(ge)重要應用，采用它來取(qu)代(dai)原來的氛燈(deng)，可(ke)以構(gou)成全(quan)固態激光系統。

10) 高清晰度激(ji)(ji)光電視。不(bu)久的將來(lai)，沒有陰(yin)極射線管的半(ban)導體激(ji)(ji)光電視機(ji)可(ke)以 投(tou)放市場，它利用紅、藍(lan)、綠三色(se)激(ji)(ji)光，估計其耗電量比現有的電視機(ji)低20%。

2.在醫療和生命科學研究方面的應用

1)激(ji)光手術治療。半導(dao)體激(ji)光已經用(yong)于軟組(zu)(zu)織切除，組(zu)(zu)織接合、凝固和(he)汽化。普通外科、整形外科、皮膚科、泌尿科、婦產科等，均(jun)廣(guang)泛地(di)采用(yong)了這項技(ji)術。

2)激光動力(li)學(xue)治療。將對腫瘤有(you)(you)親合性(xing)的光敏物質有(you)(you)選擇(ze)地聚集于(yu)癌組(zu)(zu)織(zhi)內，通(tong)過半(ban)導(dao)體激光照射(she)，使癌組(zu)(zu)織(zhi)產生活性(xing)氧，旨在使其(qi)壞死而對健康組(zu)(zu)織(zhi)毫無(wu) 損害。

3)生命科學研(yan)究(jiu)(jiu)。使用半(ban)導體(ti)激光的(de)“光鑷”，可(ke)以(yi)撲捉活細胞或(huo)染色體(ti)并移至 任意位置(zhi)，已經(jing)用于促進細胞合成，細胞相互作用等研(yan)究(jiu)(jiu)，還可(ke)以(yi)作為法(fa)醫取證的(de)診(zhen)斷技(ji)術。

（來(lai)源：網(wang)站，版權歸原作(zuo)者）