半导体激光 激光技术运用越来越普及，谈谈半导体激光体

激光技术最早引入于1960年，是一种通过刺激产生的辐射增强的光。激光因其单色性好、方向性强、亮度高而得到广泛应用。激光技术的原理是:当光或电流的能量撞击到晶体或原子等一些可激发物质上，使其原子的电子达到被激发的高能态时，当这些电子想回到平静的低能态时，原子就会发射光子释放多余的能量；然后，这些发射出来的光子会撞击其他原子，激发更多的原子产生光子，引发一系列的“连锁反应”，这些反应都向同一个方向运动，形成一定方向的强烈而集中的光。

这种光叫激光。激光几乎是单色光波，频率范围极窄，窄方向能量集中度高。因此，聚焦的激光束可以冲压各种材料。激光因其特性而具有广泛的应用。

激光技术的核心是激光。世界上第一台激光器是1960年由T.H. Mayman制造的第一台红宝石激光器。激光器有很多种，可以根据工作物质、激发方式、工作方式、工作波长等不同方法进行分类。但各种激光器的基本工作原理是一样的，激光产生的必要条件是粒子数反转和增益过损耗，所以器件的必要组成部分是激发源和亚稳态能级的工作介质。

随着半导体物理的飞速发展和晶体管的发明，科学家们早在20世纪50年代就构想出了半导体激光器的发明。1962年7月，麻省理工学院林肯实验室的两位学者Keyes和Quist报道了砷化镓的发光现象。通用电气研究实验室的工程师霍尔与其他研究人员合作开发了世界上第一台半导体激光器。

半导体激光器是一种以半导体材料为工作物质的激光器。由于材料结构的差异，激光产生的具体过程相当特殊。常用的材料有砷化镓、硫化镉、磷化铟、硫化锌等。激发方式有三种:电注入、电子束激发和光抽运。自从1962年世界上第一台半导体激光器问世以来，经过几十年的研究，半导体激光器取得了惊人的发展。它的波长范围从红外、红光到蓝绿色，覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高！半导体激光器具有体积小、效率高的优点，因此可以广泛应用于激光通信、印刷制版、光学信息处理等领域。

半导体激光器发展简史

世界上第一台半导体激光器于1962年问世。经过几十年的研究，半导体激光器取得了惊人的进展。它的波长范围从红外和红光到蓝绿色，覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有很大提高。其制造技术经历了从扩散法到液相外延、气相外延、分子束外延和金属有机化学气相沉积。

微波激射器的关断电流从几百毫安降低到几十毫安，直至亚毫安，其寿命从最初的低温运行发展到在la连续运行，从几百小时发展到几万小时，甚至几百万小时。输出功率从几毫瓦增加到几千瓦。它效率高、体积小、重量轻、结构简单，可直接将电能转换成激光能量，功率转换效率高。由于直接调制和省电的优点，应用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的数量在所有激光器中排名第一，一些重要应用领域常用的其他激光器也逐渐被半导体激光器取代。

在20世纪60年代早期，半导体激光器是同质结激光器，是在一种材料上制造的pn结二极管。在正向大电流注入下，电子连续注入P区，空空穴连续注入1”1区。因此，载流子分布的反转是在pn结的原始耗尽区实现的。由于电子的迁移速度比空空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射和复合，发出荧光，在一定条件下发生激光。这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。

半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它由两层不同带隙的半导体材料组成。例如GaAs。砷化镓，第一个是单异质结构激光器。单异质结注入激光器利用异质结提供的势垒限制GaAsP-N结P区的注入电子，从而降低阈值电流密度，比同结激光器低一个数量级，但单异质结激光器在室温下仍然不能连续工作。

1970年，实现了激光波长为9000埃、室温连续工作的双异质结砷化镓激光器。随着双异质结激光器的诞生，可用波段得到了拓宽，线宽和调谐性能也逐渐提高。DHL的结构特点是P型和N型材料之间只生长0。2tt .m厚，未掺杂，薄层材料，能隙窄，所以注意a. 00载流子被限制在这个区域，所以注入较少的电流就可以实现载流子数的反转。在半导体激光器中。目前，双异质结构电注入GaAs二极管激光器较为成熟，性能较好，应用广泛。

随着异质结激光器的发展以及分子束外延和金属有机化学气相沉积技术的成就，1978年出现了第一台半导体量子阱激光器，极大地提高了半导体激光器的各项性能。后来由于MOCVD和MBE生长技术的成熟，可以生长出高质量的超细薄层材料。此后，性能更好的量子阱激光器被成功研制出来。与双异质结激光器相比，量子阱半导体激光器具有阈值电流低、输出功率高、频率响应好、谱线窄、温度稳定性好、电光转换效率高等优点。

自20世纪70年代末以来，半导体激光器明显向两个方向发展，一个是以传输信息为目的的信息激光器。另一种是旨在提高光功率的功率激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下，大功率半导体激光器在20世纪90年代取得了突破性进展，半导体激光器的输出功率显著提高。

表面发射激光器出现于20世纪90年代，是一种室温下可实现8mW亚毫安网络电流输出功率和11%转换效率的半导体激光器。20世纪90年代末，表面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速发展，并在超平行光电子学中得到了许多应用。980纳米、850纳米和780纳米器件已在光学系统中投入实际应用。

为了满足21世纪宽带信息传输、高速信息处理、大容量信息存储和小型高精度军事装备的需要，半导体激光器在高速宽带LD、大功率ID、短波长LD、盆线和量子点激光器、中红外LD等方面取得了一系列显著成就。

半导体激光器的工作原理

半导体激光器是一种相干辐射源。要使它产生激光，它必须满足三个基本条件:

1.增益条件:建立了激射介质中载流子的反转分布。由一系列几乎连续的能级组成的能带代表半导体中的电子能量。因此，为了实现半导体中粒子数的反转，高能态导带底部的电子数远大于低能态价带顶部的空空穴数，这取决于向同结或异质结施加正向偏置。电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带。当处于粒子数反转状态的大量电子与空空穴复合时，就发生了受激发射。

2.为了获得相干的受激辐射，需要使受激辐射在光学谐振腔中得到多重反馈，形成激光振荡。激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为镜面形成的。通常在不发光的一端涂上高反射多层介质膜，在出射面涂上防反射膜。对于F-P腔半导体激光器，利用垂直于P-N结平面的自然解理面-面形成F-P腔较为方便。

3.为了形成稳定的振荡，激光介质必须能够提供足够的增益，以补偿谐振腔引起的光损耗和腔面激光输出引起的损耗，从而不断增加腔内的光场。所以需要有足够强的电流注入，也就是足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，获得的增益越大，也就是必须满足一定的电流阈值条件。当激光达到阈值时，特定波长的光可以在腔内共振并被放大，最终形成激光并连续输出。

可见，电子和空空穴的偶极跃迁是半导体激光器中光发射和放大的基本过程。对于新型半导体激光器，现在已经认识到量子阱是半导体激光器发展的根本动力。量子线和量子点能否充分利用量子效应已经延伸到本世纪。科学家们试图在各种具有自组织结构的材料中制作量子点，GaInN量子点已被用于半导体激光器。此外，科学家们还制作了另一种具有受激辐射过程的量子级联激光器，它是基于从半导体导带的一个亚能级跃迁到相同能带的较低能级。因为只有导带中的电子参与这个过程，所以是单极器件。

半导体激光器的工作特性

1阈值电流

当注入p-n结的电流较低时，只发生自发辐射，增益随着电流值的增加而增加。当达到阈值电流时，p-n结产生激光。

影响阈值的几个因素:

晶体掺杂浓度越高，阈值越小。

谐振腔损耗小。如果反射率增加，阈值就会降低。

异质结的阈值电流远低于同质结。目前室温下同质结的阈值电流大于30000 A/cm2。单个异质结约为8000 A/cm2。双异质结约为1600A/cm2。目前，双异质结已经被制成在室温下可以连续输出几十毫瓦的半导体激光器。

温度越高，阈值越高。在100K以上，阈值随着三分之一功率t的增加而增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。

2.指向性

由于半导体激光器谐振腔短，激光方向性差，在结的垂直面上发散角最大，可达20-30°；它在交叉点的水平面上大约是10度。

3.效率

量子效率η =每秒发射的光子数/每秒到达结区的电子数空空穴对数

在77K时，GaAs激光的量子效率达到70%-80%。在300K，降低到30%左右。

功率效率η 1 =辐射光功率/施加到激光器的电功率

由于各种损耗，目前双异质结器件的η1在室温下高达10%，在低温下只能达到30%-40%。

4.光谱特性

由于半导体材料特殊的电子结构，受激复合辐射发生在能带之间，所以激光线宽较宽。GaAs激光在室温下具有几纳米的谱线宽度，这表明它的单色性很差。输出激光峰值波长:840nm77K时；在300K，是902nm。

异质结激光器的工作过程

半导体激光器有多种结构，基本结构是如图所示的双异质结平面条纹结构。

这种结构由三层不同类型的半导体材料组成，不同的材料发出不同的光波长。在图纸上标记使用的材料和大致尺寸。结构中间有一层厚度为0.1~0.3微米的窄带隙p型半导体，称为有源层；两侧带隙较宽的p型和N型半导体称为约束层。在衬底上放置三层半导体，前后晶体解理面作为反射镜，形成法布里-珀罗谐振腔。

双异质结平面条形激光器的基本结构

由于约束层的带隙比有源层的带隙宽，所以在施加正向偏压后，P层的空空穴和N层的电子被注入有源层。P层的带隙较宽，导带的能态高于有源层，对注入的电子形成势垒，注入有源层的电子不能扩散到P层。同样，注入有源层的空空穴不能扩散到N层。因此，注入有源层的电子和空空穴被限制在厚度为0.1~0.3微米的有源层中，形成布居反转分布。此时，只有很小的外加电流才能增加电子和空空穴的浓度，提高效率。

另一方面，有源层的折射率比约束层的折射率高，产生的激光被约束在有源区，因此电/光转换效率高，输出激光的阈值电流很低，小的散热器可以在室温下连续工作。

双异质结构；能带；折射率分布；光功率分布

半导体激光器的应用

在激光光谱学中的应用

激光光谱学是以激光为光源的光谱技术，主要应用于分子光谱学、等离子体物理、高次谐波产生的科学应用、空气污染监测和癌症诊断。然而，选择半导体激光器作为激光光谱学的光源具有体积小、输入能量低、使用寿命长、协调性强、价格低廉等优点。例如图为“SPECDILASV-763-OXY”VCSEL探测到的氧的吸收光谱。可以看出，改变工作电流很容易得到氧的两个吸收峰，没有模式跳变。

760纳米微晶玻璃激光测量氧吸收光谱

立体光刻设备技术中的应用

立体光刻外观是最早的快速原型制造工艺，广泛应用于航空空、汽车、电器等。由于其成型过程自动化程度高，表面质量好，尺寸精度高，并能实现精细尺寸成型。成型原理如图2所示。特定波长和强度的激光聚焦在光固化材料表面，光固化材料从点到线、从线到面依次固化，完成一层的拉伸操作。然后，升降台在垂直方向上移动一层的高度，然后固化另一层，使得层堆叠形成三维实体。

紫外半导体激光技术的发展为SLA提供了最好的光源，在电光效率、成本、体积、寿命、可靠性等方面都是最好的，在光谱、谱线宽度、功率等方面完全符合其技术要求，所以现在研究这种新型光源已经成为现实。

在军事领域的应用

随着激光技术的发展，半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子领域，在军事领域也得到了广泛的应用，成为我国国防事业不可或缺的支柱。如半导体激光雷达，主要是波长820~850 nm的LD和阵列。新型半导体激光雷达结合被动探测，具有强度成像、距离成像和速度成像等多种成像功能，并具有先进的实时图像处理功能，包括各种成像的合成、图像跟踪和自动目标识别。

此外，半导体激光器已广泛应用于激光测距、武器激光模拟、激光预警、激光制导与跟踪、点火与起爆等领域。

医疗应用

半导体激光器具有体积小、成本低、寿命长、波长可选和输出功率稳定等优点。它们特别适用于医疗设备，其临床应用几乎涵盖所有其他类型的激光器。例如，低功率810纳米近红外半导体激光器是眼科最常用的热源，因为它的穿透力强，被屈光间质吸收最少，光斑直径可调范围宽。可用于治疗青光眼、硅油注射后顽固性高眼压、视网膜光凝固定。810nm半导体激光能很好地被毛囊中的黑色素吸收，产生热效应，破坏毛囊，完成脱毛效果；大功率半导体激光器也广泛用于激光切割和肿瘤凝固。所有这些都为人类健康提供了进一步的保护。

在通信领域的应用

半导体激光器也广泛应用于信息的获取、传输、存储、处理和显示。21世纪，随着光纤通信的发展，半导体激光作为光纤通信系统的光源，是整个系统的关键部件和核心部分。短距离光纤通信采用单模光纤和波长为130~150nm的半导体激光器，阵列半导体激光器用于空之间的通信。全球光纤通信市场前景广阔，所以半导体激光器的市场前景也很好。

在激光印刷和印刷市场的应用

激光打印机诞生于20世纪80年代末的激光照排技术，并在20世纪90年代中期开始流行。它是一种结合激光扫描技术和电子照相技术的打印输出设备。与其他打印设备相比，激光打印机具有打印速度快、图像质量高的优点。10-100nm大功率半导体激光器主要用于高速激光打印机。一般是联网办公打印机，包括新型彩色激光打印机。用激光直接在印刷板上写数据正成为印刷技术行业的发展趋势，不仅节省了许多中间环节，降低了成本，而且加快了速度。因此，这种应用有望稳步发展，如使用1W二极管激光器64元阵列，使用光纤耦合透镜系统。目前，大多数激光、计算机和打印系统使用卤化银或光敏有机物的光敏材料。杜邦、柯达等。都致力于开发这种热敏材料，随着半导体激光器的使用越来越多，应用市场正在蓬勃发展。