半导体激光器的工作原理及应用

激光技术最早于1960年面世，是一种因刺激产生辐射而强化的光。激光被广泛应用是因为它具有单色性好、方向性强、亮度高等特性。激光技术的原理是：当光或电流的能量撞击某些晶体或原子等易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态，当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子，以放出多余的能量；而接着，这些被放出的光子又会撞击其它原子，激发更多的原子产生光子，引发一连串的“连锁反应”，并且都朝同一个方前进，形成强烈而且集中朝向某个方向的光。

这种光就叫做激光。激光几乎是一种单色光波，频率范围极窄，又可在一个狭小的方向内集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。激光因为拥有这种特性，所以拥有广泛的应用。

激光技术的核心是激光器，世界上第一台激光器是1960年由T.H.梅曼等人制成的第红宝石激光器，激光器的种类很多，可按工作物质、激励方式、运转方式、工作波长等不同方法分类。但各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。

半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器。在1962年7月美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）与其他研究人员一道研制出世界上第一台半导体激光器。

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。自1962年世界上第一只半导体激光器是问世以来，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，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、效率高等优点，因此可广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。

半导体激光器的发展简史

世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE)，气相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE),MOCVD方法(金属有机化合物汽相淀积)，化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。

其激射闭值电流由几百mA降到几十mA，直到亚mA，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时从最初的低温(77K)下运转发展到宰la下连续工作。输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%)。便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大.目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代。

20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的pn结二极管。在正向大电流注入下，电子不断地向P区注入，空穴不断地向1"1区注入。于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧光，在一定的条件下发生激光。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，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层。如GaAs。GaAIAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969年)。单异质结注入型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP—N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。

1970年，实现了激光波长为9000A，室温连续工作的双异质结caAs—GaAIAs(砷化镓一镓铝砷)激光器。双异质结激光器(DHL)的诞生使可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，其结构的特点是在P型和n型材料之间生长了仅有0。2tt。m厚的，不掺杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注A。00载流子被限制在该区域内(有源区)，因而注人较少的电流就可以实现载流子数的反转。在半导体激光器件中。目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。

随着异质结激光器的研究发展，加之由于MBE、MOCVD技术的成就，于是，在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。后来，又由于MOCVD、MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具有阈值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。

从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器。另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器(连续输出功率在100mw以上，脉冲输出功率在5W以上，均可称之谓高功率半导体激光器)在20世纪90年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加。

20世纪90年代出现的面发射激光器(SEL)是一种在室温下可达到亚毫安的网电流8mW的输出功率和11%的转换效率的半导体激光器。20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展，且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用。980nm,850nm和780nm的器件在光学系统中已实现了实用化。

为了满足21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量化以及军用装备的小型、高精度化等需要，半导体激光器在高速宽带LD、大功率ID，短波长LD，盆子线和量子点激光器、中红外LD等方面取得了一系列引人瞩目的成果。

半导体激光器的工作原理

半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件：

1、增益条件：建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现。将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

2、要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对F—p腔(法布里一珀罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P—n结平面相垂直的自然解理面一[110]面构成F—P腔。

3、为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。

可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。对于新型半导体激光器而言，人们目前公认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的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点，而GaInN量子点已用于半导体激光器。另外，科学家也已经做出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器，这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能带更低一级状态的跃迁，由于只有导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器件。

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，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。

影响阈值的几个因素：

（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。

（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。

（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。目前，室温下同质结的阈值电流大于30000A/cm2；单异质结约为8000A/cm2；双异质结约为1600A/cm2。现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。

（4）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。

2、方向性

由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°左右。

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空穴对数

77K时，GaAs激光器量子效率达70％－80％；300K时，降到30％左右。

功率效率η1＝辐射的光功率／加在激光器上的电功率

由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的η1最高10％，只有在低温下才能达到30％－40％。

4、光谱特性

由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之间，所以激光线宽较宽，GaAs激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。输出激光的峰值波长：77K时为840nm；300K时为902nm。

异质结激光器的工作过程

半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图示出的双异质结(DH)平面条形结构。

这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.1~0.3 μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里 - 珀罗(FP)谐振腔。

双异质结（DH）平面条形激光器的基本结构

由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1~0.3 μm的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。

另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。 

(a) 双异质结构；(b) 能带；(c) 折射率分布；(d) 光功率分布

半导体激光器的应用

在激光光谱学中的应用

激光光谱是以激光为光源的光谱技术，主要用于分子光谱、等离子物理、高阶谐波产生的科学应用及大气污染的监测和癌症的诊断等。而选用半导体激光器作为激光光谱学的光源中有较多优势，它体积小，输入能量低，寿命长，可协调性强且价格低廉。例如图即为“SPECDILASV—763—OXY"VCSEL所探测的氧气的吸收光谱(半导体激光器的工作温度为Top=10℃,Iset=4.6mA,加32Hz,10.6mV的锯齿波,256次平均)。可以看出,通过改变工作电流很容易地得到氧气的两个吸收峰,无模式跳跃。

用760nmVCSEL激光器测得的氧气吸收光谱

在光固化成型技术中的应用

光固化成型法（Stereo lithography Appearance，简称SLA）是最早出现的快速原型制造工艺，由于它成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度较高且能够实现比较精细的尺寸成型，在单件小批量精密铸造、概念设计的交流、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等诸多方面广泛应用于航空、汽车、电器、消费品以及医疗等行业得到了广泛应用。其成型原理如图2所示,用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面.这样层层叠加直至构成一个三维实体。

而紫外半导体激光器技术的发展，为SLA提供了最好的光源，在电光效率、成本、体积、寿命和可靠性等指标上堪称最优，在光谱、谱线宽度、功率等性能方面也完全符合其工艺要求，因此现在进行这种新型光源的研究已成为现实。

在军事领域的应用

伴随激光技术的日趋成熟，半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，它在军事领域也得到了广泛应用，成为我国国防事业不可或缺的中坚力量。如半导体激光雷达，主要是波长820~850 nm 的LD 及列阵。新型半导体激光雷达与被动探测（红外系统）相结合，具有多种成像功能，包括强度成像、距离成像和速度成像等，具有先进的实时图像处理功能，包括各种成像的综合、图像跟踪和目标的自动识别等。

此外，半导体激光器也在激光测距、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆等方面获得了广泛的应用。

在医疗上的应用

半导体激光器体积小、成本低、寿命长、波长可选择、输出功率稳定等优点，特别适用于医疗设备，其临床应用几乎覆盖了所有其他类型的激光器的应用范围。如低功率810nm近红外半导体激光器，由于该波长的激光穿透能力强，屈光间质对它吸收最少，光斑直径可调范围大 ,是眼科中最常用的热源，可用于治疗青光眼、硅油注入术后难治性高眼压以及视网膜的光凝和固定等；810nm半导体激光起能够很好被毛囊内黑色素吸收，产生热效应，破坏毛囊，完成脱毛的效果；大功率半导体激光器也广泛应用于肿瘤的激光切割、凝固手术。这些都为人类的健康进一步提供了保障。

在通信领域的应用

半导体激光器在信息的获取，传输，存储和处理以及显示中也得到广泛应用。21世纪，随着光纤通信的发展，半导体激光器光作为光纤通信系统中的光源，是关键元件,是整个系统的核心部分,短距离的光纤通信采用单模光纤和130~150nm波长的半导体激光器,空间通信用列阵半导体激光器。全球光纤通信市场前景广阔,因此,半导体激光器的市场前景也是非常好的。

在激光打印及印刷市场中的应用

激光打印机脱胎于80年代末的激光照排技术，流行于90年代中期。它是将激光扫描技术和电子照相技术相结合的打印输出设备。较其他打印设备，激光打印机有打印速度快、成像质量高等优点。10-100nm的高功率半导体激光器主要用于高速激光打印机。一般为网络化办公打印机,包括新出现的彩色激光打印机(打印速度为12-35p/min)。用激光把资料直接写在印刷板上正成为印刷技术工业的一种发展趋势,不仅节省很多中间环节、降低成本,而且加快了速度，因此此种应用预计会稳定增长，如采用1W二极管激光器64元阵列、用光纤藕合配以透镜系统。目前多数激光、计算机、印刷系统采用卤素银或光敏有机物的光敏材料。杜邦公司、柯达公司等均在致力于开发此类热敏材料,采用半导体激光器日益增多,此项应用市场也呈蓬勃发展。

编辑：黄飞