激光二(er)極管英(ying)文(wen)：laser diodes
定義：以(yi)載(zai)流p-n結為增(zeng)益介質(zhi)的半導(dao)體激(ji)光(guang)器。
激(ji)光二極(ji)管(guan)是電(dian)(dian)泵浦的(de)半導體激(ji)光器(qi)，其中(zhong)(zhong)增益是由p-n結(jie)或p-i-n結(jie)構中(zhong)(zhong)的(de)電(dian)(dian)流產生的(de)。在這種異質結(jie)構中(zhong)(zhong)，電(dian)(dian)子和空穴會(hui)發生復(fu)合，釋放的(de)能量為光子能量的(de)倍數。這一過程(cheng)可以(yi)是自發的(de)，也可以(yi)由入射光子激(ji)發，結(jie)果會(hui)得到(dao)光學放大(da)，如果在激(ji)光器(qi)諧(xie)振腔中(zhong)(zhong)采用光學反饋(kui)就可以(yi)實(shi)現激(ji)光器(qi)振蕩(dang)。在詞條半導體激(ji)光器(qi)中(zhong)(zhong)有更詳細的(de)關于半導體中(zhong)(zhong)激(ji)光放大(da)過程(cheng)的(de)描述(shu)。
二極(ji)管(guan)激(ji)光器(qi)是采用一個或多個激(ji)光二極(ji)管(guan)的激(ji)光器(qi)。
大部分半導體激光器都是基于激光二極管的基礎上的，但是也有一些光泵浦的半導體激光器，它們不需要二極管結構，因此不屬于二極管激光器。
激光二極管通常為邊發射激光器，鍍膜的或者不鍍膜的半導體薄膜的端面可以形成激光器諧振腔。它們通常為雙異質結結構，可以將產生的載流子限制在很窄的區域，同時也可以作為光場的波導（雙層限制）。電流也限制在同一個區域，有時需要采用隔離柵。這樣可以得到較低的閾值功率和高的效率。有源區通常很薄，可以看作是一個量子阱。有時會采用量子點。
目前的LDs通常是表面發射類型，即發射方向垂直于薄膜表面，增益是由多個量子阱提供的。
有很多不同類型的LDs，工作在不同的輸出功率、波長、帶寬和其它性質下：
1.小的邊發射LDs產生幾毫瓦到0.5個瓦特之間的光束，并且光束質量很高。輸出光束可能發射到自由空間或者耦合到單模光纖中。這種激光器可以是折射率導引（利用波導結構使光在LD中傳播）或者增益導引（通過偏性放大使光束非常窄）。
2.類似于具有短的諧振腔的分布反饋激光器（DFB激光器）或者分布布拉格反射激光器（DBR激光器）的小的LDs可以實現單頻工作，有是的還具有波長可調諧性。
3.外腔二極管激光器包含激光二極管作為長的激光諧振腔的增益介質，還具有其它的光學元件，例如激光反射鏡或者衍射光柵。它們也是波長可調的，并且輻射帶寬很小。
4.大面積激光二極管（也稱為寬條形激光二極管，寬條形激光器或者高亮度激光二極管）的輸出功率有幾瓦特。其光束質量比低功率LDs低很多，但是比二極管線陣高。錐形大面積激光器具有更好的光束質量和亮度。
5.平板耦合光波導激光器（SCOWLs）在一個較大的波導結構中包含一個多量子阱增益區域，可以產生具有衍射極限的瓦特量級的光束，形狀為圓形。
6.高功率二極管線陣包含一列大面積發射器，產生較低光束質量的幾十瓦特的光束。除了其功率更高之外，它的亮度比大面積LD要低。
7.大功率堆積二極管線陣（參閱二極管堆）是多個二極管線陣堆積在一起的，可以產生幾百甚至幾千瓦特的超高功率。
8.表面發射半導體激光器（VCSELs）通常產生幾毫瓦高光束質量的光。還有外腔發射半導體激光器（VECSELs）可以產生更高功率但是仍然具有很好光束質量的光。
激光二極管可以將光束輻射到自由空間中，也有很多LDs存在光纖耦合的形式。后者在應用中特別方便，例如，作為光纖激光器和光纖放大器的泵浦光源。
幾乎所有的電泵浦半導體激光器都是激光二極管，量子級聯激光器是一個例外。其它的半導體激光器是利用光學泵浦，因此不需要p-n結，它們可以由不摻雜的半導體材料得到。
激光二極管的輻射波長主要由激光活性半導體材料的帶隙所決定：即光子能量接近于帶隙能量。由于存在非常多的半導體材料，因此該激光器可以覆蓋很大的光譜區域。尤其是存在很多三元或者四元半導體混合物，可以通過改變混合物組分在很大范圍內調節半導體混合物的帶隙能量。例如，例如在AlxGa1−xAs中提高鋁的含量可以提高帶隙能量，因此輻射波長變短。圖1給出了典型的材料系統的概括。
大多數激光二極管輻射的光在近紅外光譜區域，也有的輻射可見光（尤其是紅色或者藍色）或者中紅外光。
大多數LDs輻射光束的光譜帶寬在幾個納米。該帶寬來自于多個縱的（也可能是橫的）諧振腔模式（多模激光二極管）的同時振蕩。其它的LDs工作在單諧振腔模式上（參閱單頻工作），尤其是分布反饋激光器，因此輻射帶寬窄很多，一般線寬在MHz范圍。采用外腔和利用參考腔的窄帶光學反饋（參閱激光器穩定）可以進一步使線寬變窄。
多模LDs的輻射波長（光譜的中心頻率）通常與溫度有關，溫度沒提高1 K，波長通常提高約0.3 nm，由于峰值增益與波長有關。（溫度會影響價帶和導帶的粒子數分布。）因此如果激光晶體的吸收帶寬很窄（例如，只有幾個納米），需要穩定固態激光器中二極管泵浦的p-n結處的溫度。也可以通過改變p-n結處的溫度來調諧輻射波長。
單模二極管輻射波長的溫度系數低很多。如果應用到掃描光譜學中時，波長通常是工作在激光間隙進行掃描的。在每個脈沖作用時溫度都會升高，引起光學頻率減小。外腔激光器的波長可以通過旋轉激光腔中的衍射光柵來改變。
激光二極管具有很高的電光轉化效率，典型值為50%，有時甚至大于60%。（關于如何提高高功率LDs的效率使其大于70%的項目目前也在發展。）效率主要受一些因素的限制，例如電阻，載流子泄漏，散射，吸收（尤其是在摻雜區域）和自發輻射。當激光二極管輻射波長在940-980 nm波長范圍時效率是最高的（可以用來泵浦摻鐿高功率光纖裝置），而808 nm的二極管效率則不是很高。
有些低功率LDs可以輻射相對較高光束質量的光束（盡管其光束發散角比較大需要在準直過程中仔細處理）。但是，大多數高功率LDs具有相對比較低的光束質量，還有其他不是很理想的性質，例如光束發散角大，光束半徑和兩個垂直方向光束質量很高的不對稱性，還有像散現象。光束整形光學中找到合適的設計非常重要，尺寸要小，易于加工和排列，保持光束質量并且避免產生干涉條紋，消除像散，具有較低損耗等。通常二極管激光光束整形光學涉及到準直透鏡，孔徑和變形棱鏡。
由于激光二極管輻射的光是線偏振的，因此可以采用一個偏振分束器將兩二極管輸出光合在一起，這樣就可以得到具有兩倍于單個二極管功率、與單個二極管光束質量相同的非偏振的光（偏振復用）。還可以采用二色性反射鏡將兩個波長稍微不同的LDs的光束合在一起（參閱光譜合束）。光束合成更系統的方案可以將很多發射器發出的具有很好光束質量的光合在一起。
常見的LDs的工作模式為連續光工作，但很多LDs也可以產生光學脈沖。大部分情況下，脈沖產生的原理是增益開關，即通過開光泵浦電流調制光學增益。小的二極管也可以是鎖模的，產生皮秒甚至飛秒脈沖。鎖模激光二極管可能是外腔裝置或者單片式的，后者通常包含工作在不同電流下的部分。
不同種類的二極管具有不同的噪聲特性。當大于弛豫振蕩頻率時（通常幾個GHz），強度噪聲通常是接近于量子極限的。但是，有些工作在低溫下的低功率LDs甚至具有很顯著的振幅壓縮，即強度噪聲可以小于散粒噪聲極限。所有的半導體激光器中，強度噪聲都與相位噪聲相互關聯。
如上所述，線寬值是非常不同的。多模LDs具有很多與跳模有關的附加噪聲。不同模式的噪聲可以是非常反相關的，因此單個模式的強度噪聲比總功率的噪聲強很多。這會得到一個很重要的結果就是，如果二極管線陣在某一孔徑被截斷或者被光譜濾波，那么強度噪聲反而會增加。二極管驅動器也會對激光器噪聲有貢獻，因此即使電流漲落非常快，它也會轉化成產生光的強度和相位漲落。
當工作條件比較適宜時，二極管激光器的壽命在上萬個小時。但是有很多其它的因素會使壽命縮短，例如工作在過高的溫度（例如，由于冷卻不充足），電流或電壓太高，例如來自于靜電放電或者不合理設計的激光驅動器。
還有一些失敗的工作模式，包括光學災變損傷（COD）（在幾毫秒或者更短時間內器件完全損壞）和穩步下降。除了工作條件之外，還有很多設計因素會影響壽命。例如，如果采用無鋁的有源區可以得到更好的穩定性和壽命，在光學表面的特定涂層（或者一些附件的半導體涂層）也非常有用。有些改進的二極管設計并沒有被公開，是由于制造者要保持技術上的優勢。
為了提高器件壽命，LDs通常工作在較低的電流下（輸出功率也較低）。適當降低功率由于具有較低的結電壓，可以提高電光轉換效率，然而過度降低則會降低效率。
激光二極管可以應用到很多方面。下面給出一些重要的例子：
1.低功率的具有較高光束質量的單模LDs可以用作在CD-ROMs,DVDs,藍光Discs和全息數據存儲介質中進行數據存儲和讀取。這些激光器可以工作在不同的光譜區域，從紅外光到藍光和紫光區域，波長越短，存儲密度越大。
2.單模LDs在光纖通信中應用非常廣泛，尤其是作為數據發射器。有些情況下，數據調制可直接由驅動電流來實現。
3.單模LDs通常可以應用到光譜學中，采用尺寸非常小的低功率測量器件。
4.小的紅光激光二極管（參閱紅光激光器）可以作為激光筆。
5.采用調制的低功率二極管激光器可以進行距離測量。激光打印機、掃描儀和條形碼讀取器采用的也是類似的激光器。
6.大面積激光二極管，二極管線陣和二極管堆可用作固態激光器的二極管泵浦。光纖耦合的大面積LDs可以作為光纖放大器的泵浦光源。
7.二極管線陣的輻射可以進行醫學診斷（例如治療前列腺腫大）和皮膚病治療。
8.高功率的二極管堆可以直接用于材料加工，這時不需要高的光束質量，例如用于表面加固，焊接和錫焊。與其它高功率激光器相比，它們更加簡單，并且具有更高的電光轉化效率。
