什么是半导体激光器？
时间:2025-05-16
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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，被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。在过去的十年里，半导体激光器发展迅速，已成为世界上增长最快的激光技术。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子领域，已成为当今光电子科学的核心技术。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、价格低廉等优点，广泛应用于光电子领域，受到世界各国的高度重视。
半导体激光器
半导体激光器是一种小型化激光器，它使用由直接带隙半导体材料组成的Pn结或Pin结作为工作物质。半导体激光器的工作材料有几十种。已经制成激光器的半导体材料包括砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、砷化铝镓、磷铟、砷等。半导体激光器主要有三种激发方式，即电注入型、光泵浦型和高能电子束激发型。大多数半导体激光器的激发方法是电注入，即向Pn结施加正向电压，在结平面区域产生受激发射，即正向偏置二极管。
因此，半导体激光器也称为半导体激光二极管。对于半导体，由于电子在能带之间而不是离散能级之间跃迁，跃迁能量不是一个确定的值，这使得半导体激光器的输出波长在很宽的范围内传播。在范围内。它们发射的波长在0.3到34μm之间。波长范围由所用材料的能带隙决定。最常见的是AlGaAs双异质结激光器，其输出波长为750-890nm。
半导体激光器制造技术经历了从扩散法到液相外延（LPE）、气相外延（VPE）、分子束外延（MBE）、MOCVD法（金属有机化合物气相沉积）、化学束外延（CBE）以及它们的各种组合。半导体激光器的最大缺点是激光性能受温度影响很大，光束的发散角较大（一般在几度到20度之间），因此方向性、单色性和相干性较差。然而，随着科学技术的快速发展，半导体激光器的研究正在向纵深方向推进，半导体激光器性能也在不断提高。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。
半导体激光器是如何工作的？
半导体激光器是一种相干辐射源。要使其产生激光，必须满足三个基本条件：
1.增益条件：
建立了激光介质（有源区）中载流子的反转分布。在半导体中，代表电子能量的能带由一系列接近连续的能级组成。因此，在半导体中，为了实现粒子数反转，高能态导带底部的电子数量必须远远大于两个能带区域之间低能态价带顶部的空穴数量。异质结正向偏置，将必要的载流子注入活性层，以激发电子从较低能量的价带到较高能量的导带。当大量处于粒子数反转状态的电子与空穴复合时，会发生受激发射。
2.为了实际获得相干受激辐射，受激辐射必须在光学谐振腔中多次反馈以形成激光振荡。激光谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为镜子形成的，通常在不发光的一端涂上高反射多层介电膜，发光面涂上抗反射膜。对于F-p腔（法布里-珀罗腔）半导体激光器，通过使用垂直于p-n结面的晶体的自然解理面，可以很容易地形成F-p腔。
2.为了实际获得相干受激辐射，受激辐射必须在光学谐振腔中多次反馈以形成激光振荡。激光谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为镜子形成的，通常在不发光的一端涂上高反射多层介电膜，发光面涂上抗反射膜。对于F-p腔（法布里-珀罗腔）半导体激光器，通过使用垂直于p-n结面的晶体的自然解理面，可以很容易地形成F-p腔。
3.为了形成稳定的振荡，激光介质必须能够提供足够大的增益，以补偿谐振腔引起的光学损耗和腔表面激光输出引起的损耗等。并不断增加腔内的光场。这需要足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转的程度越高，获得的增益就越大，即必须满足一定的电流阈值条件。当激光达到阈值时，具有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。可以看出，在半导体激光器中，电子和空穴的偶极跃迁是光发射和光放大的基本过程。对于新型半导体激光器，目前人们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。
科学家们试图利用自组织结构在各种材料中制造量子点，GaInN量子点已被用于半导体激光器。
半导体激光器的发展历程
20世纪60年代初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，电子被连续注入p区，空穴被连续注入n区。因此，在原始pn结耗尽区中实现了载流子分布的反转。由于电子的迁移速度比空穴快，因此在有源区发生辐射和复合，并发出荧光。激光发射，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，
它由两层具有不同带隙的半导体材料（如GaAs和GaAlAs）薄层组成，单异质结构激光器首次出现（1969）。单异质结注入激光器（SHLD）位于GaAsP-N结的p区内，以降低阈值电流密度，这比同质结激光器低一个数量级，但单异质结激光器仍然无法在室温下连续工作。
自20世纪70年代末以来，半导体激光器明显朝着两个方向发展，一个是用于传输信息的基于信息的激光器，另一个是为了增加光功率的基于功率的激光器。在泵浦固体激光器等应用的驱动下，高功率半导体激光器（连续输出功率超过100mw，脉冲输出功率超过5W可称为高功率半导体激光）。
20世纪90年代，取得了突破，其标志是半导体激光器的输出功率显著提高，国外千瓦级高功率半导体激光器的商业化，国内样品器件的输出达到600W。从激光波段扩展的角度来看，首先是红外半导体激光器，其次是670nm红色半导体激光器，得到了广泛的应用。随后，随着650nm和635nm波长的出现，蓝绿光和蓝光半导体激光器也相继研制成功。10mW量级的紫外甚至紫外半导体激光器也在开发中。表面发射激光器和垂直腔表面发射激光器在20世纪90年代末发展迅速，在超并行光电子学中的各种应用得到了考虑。980nm，850nm和780nm器件已经在光学系统中实用。目前，垂直腔面发射激光器已应用于千兆以太网的高速网络中。
20世纪90年代，取得了突破，其标志是半导体激光器的输出功率显著提高，国外千瓦级高功率半导体激光器的商业化，国内样品器件的输出达到600W。从激光波段扩展的角度来看，首先是红外半导体激光器，其次是670nm红色半导体激光器，得到了广泛的应用。随后，随着650nm和635nm波长的出现，蓝绿光和蓝光半导体激光器也相继研制成功。10mW量级的紫外甚至紫外半导体激光器也在开发中。表面发射激光器和垂直腔表面发射激光器在20世纪90年代末发展迅速，在超并行光电子学中的各种应用得到了考虑。980nm，850nm和780nm器件已经在光学系统中实用。目前，垂直腔面发射激光器已应用于千兆以太网的高速网络中。
半导体激光器的应用
半导体激光器是一类成熟较早、发展较快的激光器。由于其波长范围广、生产简单、成本低、易于批量生产，以及体积小、重量轻、寿命长，在品种和应用方面发展迅速。种类繁多，目前有300多种。
1.工业和技术应用
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，光纤通信已成为当代通信技术的主流。
2） 光盘访问。半导体激光器已被用于光盘存储器，其最大的优点是它存储了大量的声音、文本和图像信息。使用蓝色和绿色激光可以大大提高光盘的存储密度。
2） 光盘访问。半导体激光器已被用于光盘存储器，其最大的优点是它存储了大量的声音、文本和图像信息。使用蓝色和绿色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应用于环境气体分析、空气污染监测、汽车尾气排放等领域。它可用于工业监测气相沉积过程。
4） 光学信息处理。半导体激光器已用于光学信息系统。表面发射半导体激光器的二维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） 激光微细加工。借助调Q半导体激光器产生的高能超短光脉冲，可以切割、冲压等集成电路。
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、车辆距离报警器等。
7） 激光打印机。高功率半导体激光器已用于激光打印机。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、图书档案管理等领域。
9） 泵浦固态激光器。这是高功率半导体激光器的一个重要应用。用它代替原来的氛围灯可以形成全固态激光系统。
10） 高清晰度激光电视。在不久的将来，没有阴极射线管的半导体激光电视，利用红、蓝、绿激光，估计比现有电视消耗的功率低20%。
2.在医学和生命科学研究中的应用
1） 激光手术。半导体激光器已被用于软组织消融、组织结合、凝固和汽化。该技术广泛应用于普通外科、整形外科、皮肤科、泌尿科、妇产科等。
2） 激光动态治疗。对肿瘤具有亲和力的光敏物质选择性地积聚在癌症组织中，用半导体激光照射癌症组织产生活性氧，目的是使其坏死而不损害健康组织。
3） 生命科学研究。使用半导体激光器的“光镊”，可以捕获活细胞或染色体并将其移动到任何位置。它已被用于促进细胞合成和细胞相互作用研究，也可用作法医证据收集的诊断技术。
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