半导体激光器的应用 浅谈半导体激光器及其应用

摘要:

近十年来，半导体激光器发展迅速，已成为世界上发展最快的激光技术。由于半导体激光器的一些特点，它被广泛应用于各个领域，受到世界各国的高度重视。摘要:简述了半导体激光器的概念、工作原理和发展历史，介绍了半导体激光器的重要特性，列举了半导体激光器的应用现状，并预测了半导体激光器的发展趋势。

关键词:半导体激光器，激光介质，载流子，单异质结，pn结。

自1962年世界上第一台半导体激光器发明以来，半导体激光器发生了巨大的变化，极大地促进了其他科学技术的发展，被认为是20世纪人类最伟大的发明之一。近十年来，半导体激光器发展更快，已成为世界上发展最快的激光技术。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电领域，已经成为光电科学的核心技术。半导体激光器因其体积小、结构简单、输入能量低、寿命长、易于调制和价格低廉等优点，在光电子领域得到了广泛应用，并受到世界各国的高度重视。

I .半导体激光器

半导体激光器是以直接带隙半导体材料制成的Pn结或Pin结为工作物质的小型化激光器。半导体激光器的工作物质有几十种。目前制成激光器的半导体材料有砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等。半导体激光器主要有三种激发模式，即电注入、光泵和高能电子束激发。大多数半导体激光器的激发方式是电注入，即在Pn结上加直流电压，从而在结平面区域产生受激发射，即正向偏置二极管。因此，半导体激光器也被称为半导体激光二极管。对于半导体来说，跃迁能量不是一个确定的值，因为电子在能带之间跃迁，而不是在离散的能级之间跃迁，这使得半导体激光器的输出波长分布在很宽的范围内。它们的发射波长在0.3至34 μ m之间。其波长范围取决于所用材料的带隙。最常见的铝镓砷双异质结激光器的输出波长为750 ~ 890纳米。

激光器结构示意图

半导体激光器的制造技术经历了从扩散到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相沉积(MOCVD)、化学束外延(CBE)及其各种组合的各种过程。半导体激光器最大的缺点是激光性能受温度影响较大，光束发散角大(通常在几度到20度之间)，因此方向性、单色性和相干性较差。然而，随着科学技术的飞速发展，半导体激光器的研究正在深入推进，半导体激光器的性能也在不断提高。以半导体激光器为核心的半导体光电技术将在21世纪的信息社会中取得更大的进步，发挥更大的作用。

二、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(有源区)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。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(法布里-珀罗腔)半导体激光器，利用垂直于p-n结平面的自然解理面形成F-P腔是很方便的。

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。

三、半导体激光器的发展历史

20世纪60年代早期的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N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，在一定条件下发射荧光和激光。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，由两层不同带隙的半导体材料组成，如GaAs和砷化镓(GaAlAs)，最早出现的是单异质结构激光器(1969)。在单异质结注入激光器的gaasp-n结p区，阈值电流密度比单异质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器在室温下仍然不能连续工作。

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基激光器，另一个是以提高光功率为目的的功率基激光器。由泵浦固体激光器、大功率半导体激光器(连续输出功率在100mw以上，脉冲输出功率在5W以上，都可以称为大功率半导体激光器)等应用驱动。

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。国外千瓦级的大功率半导体激光器已经商业化，国产样品器件的输出已经达到600W W，从扩大激光波段的角度来看，先是红外半导体激光器，然后是670nm红色半导体激光器得到广泛应用，然后随着650nm和635nm波长的到来，蓝绿蓝半导体激光器也已经研制成功，10mW紫色甚至紫外半导体激光器也在加紧开发。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。目前，垂直腔面发射激光器已经在千兆以太网的高速网络中得到应用。

第四，半导体激光器的应用

半导体激光器是一种早熟、进步快的激光器。由于其波长范围宽、制作简单、成本低、易于大规模生产，并且由于其体积小、重量轻、使用寿命长，其品种发展迅速，应用范围广，目前有300多种。

1.在工业和技术中的应用

1)光纤通信。半导体激光器是光纤通信系统唯一实用的光源，光纤通信已经成为当代通信技术的主流。

2)光盘访问。半导体激光器已经用于光盘存储器，它最大的优点是可以存储大量的声音、文字和图像信息。使用蓝绿激光可以大大提高光盘的存储密度。

3)光谱分析。远红外可调谐半导体激光器已被用于环境气体分析、空气污染监测、汽车尾气等。它可用于监测工业中的气相沉积过程。

4)光学信息处理。半导体激光器已经用于光学信息管理系统。二维面发射半导体激光器阵列是光学并行处理系统的理想光源，将用于计算机和光学神经网络。

5)激光微加工。借助于调Q半导体激光器产生的高能超短光脉冲，可以对集成电路进行切割和打孔。

6)激光报警。半导体激光报警器应用广泛，包括防盗报警器、水位报警器、车距报警器等。

7)激光打印机。高功率半导体激光器已经用于激光打印机。使用蓝色和绿色激光可以大大提高打印速度和分辨率。

8)激光条形码扫描仪。半导体激光条形码扫描仪已广泛应用于商品销售和图书档案管理。

9)泵浦固体激光器。这是大功率半导体激光器的一个重要应用，可以用来代替原来的大气灯，形成全固态激光系统。

10)高清激光电视。在不久的将来，没有阴极射线管的半导体激光电视机可以上市。它使用红、蓝、绿三色激光，功耗估计比现有电视机低20%。

2.在医学和生命科学研究中的应用[# # # page # # #][段落]1)激光外科治疗。半导体激光已经用于软组织切除、组织粘合、凝固和汽化。这项技术广泛应用于普通外科、整形外科、皮肤科、泌尿外科、妇产科等。

2)激光动态疗法。在癌组织中选择性地聚集对肿瘤有亲和力的感光物质，用半导体激光照射癌组织，产生活性氧，旨在坏死而不损伤健康组织。

3)生命科学研究。使用半导体激光的“光镊”可以捕获活细胞或染色体，并将其移动到任何位置，已被用于促进细胞合成、细胞相互作用等研究，也可作为法医证据收集的诊断技术。

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