自1962年世界上第一台半導體(ti) 激光器發明問世以來，半導體(ti) 激光器發生了巨大的變化，極大地推動了其他科學技術的發展，被認為(wei) 是二十世紀人類最偉(wei) 大的發明之一。近十幾年來，半導體(ti) 激光器的發展更為(wei) 迅速，已成為(wei) 世界上發展最快的一門激光技術。半導體(ti) 激光器的應用範圍覆蓋了整個(ge) 光電子學領域，已成為(wei) 當今光電子科學的核心技術。由於(yu) 半導體(ti) 激光器的體(ti) 積小、結構簡單、輸入能量低、壽命較長、易於(yu) 調製以及價(jia) 格較低廉等優(you) 點，使得它目前在光電子領域中應用非常廣泛，已受到世界各國的高度重視。

一、半導體(ti) 激光器

半導體(ti) 激光器是以直接帶隙半導體(ti) 材料構成的 Pn 結或 Pin 結為(wei) 工作物質的一種小型化激光器。半導體(ti) 激光工作物質有幾十種，目前已製成激光器的半導體(ti) 材料有砷化镓、砷化銦、銻化銦、硫化鎘、碲化鎘、硒化鉛、碲化鉛、鋁镓砷、銦磷砷等。半導體(ti) 激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式 、光泵式和高能電子束激勵式。絕大多數半導體(ti) 激光器的激勵方式是電注入，即給 Pn 結加正向電壓，以使在結平麵區域產(chan) 生受激發射 ，也就是說是個(ge) 正向偏置的二極管 。因此半導體(ti) 激光器又稱為(wei) 半導體(ti) 激光二極管。對半導體(ti) 來說，由於(yu) 電子是在各能帶之間進行躍遷 ，而不是在分立的能級之間躍遷，所以躍遷能量不是個(ge) 確定值， 這使得半導體(ti) 激光器的輸出波長展布在一個(ge) 很寬的範圍上。它們(men) 所發出的波長在0.3～34μm之間。其波長範圍決(jue) 定於(yu) 所用材料的能帶間隙 ，最常見的是AlGaAs雙異質結激光器，其輸出波長為(wei) 750～890nm。

激光器結構示意圖

半導體(ti) 激光器製作技術經曆了由擴散法到液相外延法(LPE)， 氣相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE)，MOCVD 方法(金屬有機化合物汽相澱積)，化學束外延(CBE)以及它們(men) 的各種結合型等多種工藝。半導體(ti) 激光器最大的缺點是:激光性能受溫度影響大，光束的發散角較大(一般在幾度到20度之間)，所以在方向性、單色性和相幹性等方麵較差。但隨著科學技術的迅速發展， 半導體(ti) 激光器的研究正向縱深方向推進 ，半導體(ti) 激光器的性能在不斷地提高。以半導體(ti) 激光器為(wei) 核心的半導體(ti) 光電子技術在 21 世紀的信息社會(hui) 中將取得更大的進展，發揮更大的作用。

二、半導體(ti) 激光器的工作原理

半導體(ti) 激光器是一種相幹輻射光源，要使它能產(chan) 生激光，必須具備三個(ge) 基本條件 :

1.增益條件:建立起激射媒質(有源區)內(nei) 載流子的反轉分布，在半導體(ti) 中代表電子能量的是由一係列接近於(yu) 連續的能級所組成的能帶 ，因此在半導體(ti) 中要實現粒子數反轉，必須在兩(liang) 個(ge) 能帶區域之間 ，處在高能態導帶底的電子數比處在低能態價(jia) 帶頂的空穴數大很多，這靠給同質結或異質結加正向偏壓，向有源層內(nei) 注入必要的載流子來實現， 將電子從(cong) 能量較低的價(jia) 帶激發到能量較高的導帶中去 。當處於(yu) 粒子數反轉狀態的大量電子與(yu) 空穴複合時 ，便產(chan) 生受激發射作用。

2.要實際獲得相幹受激輻射 ，必須使受激輻射在光學諧振腔內(nei) 得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導體(ti) 晶體(ti) 的自然解理麵作為(wei) 反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質膜，而出光麵鍍上減反膜。對F—p 腔(法布裏—珀羅腔)半導體(ti) 激光器可以很方便地利用晶體(ti) 的與(yu) p-n結平麵相垂直的自然解理麵構成F-p腔。

3.為(wei) 了形成穩定振蕩，激光媒質必須能提供足夠大的增益，以彌補諧振腔引起的光損耗及從(cong) 腔麵的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nei) 的光場。這就必須要有足夠強的電流注入，即有足夠的粒子數反轉，粒子數反轉程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當激光器達到閥值時，具有特定波長的光就能在腔內(nei) 諧振並被放大，最後形成激光而連續地輸出。可見在半導體(ti) 激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發射和光放大過程。對於(yu) 新型半導體(ti) 激光器而言，人們(men) 目前公認量子阱是半導體(ti) 激光器發展的根本動力。量子線和量子點能否充分利用量子效應的課題已延至本世紀，科學家們(men) 已嚐試用自組織結構在各種材料中製作量子點，而GaInN 量子點已用於(yu) 半導體(ti) 激光器。

三、半導體(ti) 激光器的發展曆史

20 世紀60年代初期的半導體(ti) 激光器是同質結型激光器，它是在一種材料上製作的 pn 結二極管。在正向大電流注入下電子不斷地向 p區注入，空穴不斷地向n區注入。於(yu) 是 ，在原來的pn結耗盡區內(nei) 實現了載流子分布的反轉， 由於(yu) 電子的遷移速度比空穴的遷移速度快， 在有源區發生輻射、複合，發射出熒光，在一定的條件下發生激光 ，這是一種隻能以脈衝(chong) 形式工作的半導體(ti) 激光器。半導體(ti) 激光器發展的第二階段是異質結構半導體(ti) 激光器， 它是由兩(liang) 種不同帶隙的半導體(ti) 材料薄層 ，如GaAs， GaAlAs 所組成， 最先出現的是單異質結構激光器(1969 年)。單異質結注入型激光器(SHLD)GaAsP -N 結的 p 區之內(nei) ，以此來降低閥值電流密度， 其數值比同質結激光器降低了一個(ge) 數量級， 但單異質結激光器仍不能在室溫下連續工作 。

從(cong) 20世紀70年代末開始，半導體(ti) 激光器明顯向著兩(liang) 個(ge) 方向發展 ， 一類是以傳(chuan) 遞信息為(wei) 目的的信息型激光器，另一類是以提高光功率為(wei) 目的的功率型激光器 。在泵浦固體(ti) 激光器等應用的推動下，高功率半導體(ti) 激光器(連續輸出功率在100mw以上，脈衝(chong) 輸出功率在 5W 以上，均可稱之謂高功率半導體(ti) 激光器)。

在 20 世紀90年代取得了突破性進展，其標誌是半導體(ti) 激光器的輸出功率顯著增加，國外千瓦級的高功率半導體(ti) 激光器已經商品化，國內(nei) 樣品器件輸出已達到 600W。如果從(cong) 激光波段的被擴展的角度來看，先是紅外半導體(ti) 激光器，接著是 670nm 紅光半導體(ti) 激光器大量進入應用，接著，波長為(wei) 650nm、635nm的問世 ，藍綠光、藍光半導體(ti) 激光器也相繼研製成功，10mW 量級的紫光乃至紫外光半導體(ti) 激光器，也在加緊研製中。20世紀90年代末，麵發射激光器和垂直腔麵發射激光器得到了迅速的發展，且已考慮了在超並行光電子學中的多種應用。980nm、850nm和780nm的器件在光學係統中已經實用化。目前，垂直腔麵發射激光器已用於(yu) 千兆位以太網的高速網絡。

四、半導體(ti) 激光器的應用

半導體(ti) 激光器是成熟較早、進展較快的一類激光器 ，由於(yu) 它的波長範圍寬， 製作簡單、成本低、易於(yu) 大量生產(chan) ，並且由於(yu) 體(ti) 積小 、重量輕、壽命長，因此，品種發展快，應用範圍廣，目前已超過300種 。

1、在產(chan) 業(ye) 和技術方麵的應用

1）光纖通信。半導體(ti) 激光器是光纖通信係統的唯一實用化光源，光纖通信已成為(wei) 當代通信技術的主流。

2) 光盤存取。半導體(ti) 激光已經用於(yu) 光盤存儲(chu) 器，其最大優(you) 點是存儲(chu) 的聲音、文字和圖象信息量很大。采用藍、綠激光能夠大大提高光盤的存儲(chu) 密。

3) 光譜分析。遠紅外可調諧半導體(ti) 激光器已經用於(yu) 環境氣體(ti) 分析，監測大氣汙染、汽車尾氣等。在工業(ye) 上可用來 監測氣相澱積的工藝過程。

4) 光信息處理。半導體(ti) 激光器已經用於(yu) 光信息理係統。表麵發射半導體(ti) 激光器 二 維陣列是光並行處理係統的理想光源，將用於(yu) 計算機和光神經網絡。

5) 激光微細工。借助於(yu) Q開關(guan) 半導體(ti) 激光器產(chan) 生的高能量超短光衝(chong) ，可對集成電路進行切 割、打孔等。

6) 激光報警器。半導體(ti) 激光報警器用途 甚廣，包括防盜報警、水位報警、車距 報警等。

7) 激光打印機。高功率半導體(ti) 激光器已經用於(yu) 激光打印機。采用藍、綠激光 能 夠大大提高打印速度和分辨 率。

8) 激光條碼掃描器。半導體(ti) 激光條碼掃描器已經廣泛用於(yu) 商品的銷售，以及 圖書(shu) 和檔案的管理。

9) 泵浦固體(ti) 激光器。這是高功率半導體(ti) 激光器的一個(ge) 重要應用，采用它來取代原來的氛燈，可以構成全固態激光係統。

10) 高清晰度激光電視。不久的將來，沒有陰極射線管的半導體(ti) 激光電視機可以 投放市場，它利用紅、藍、綠三色激光，估計其耗電量比現有的電視機低20%。

2、在醫療和生命科學研究方麵的應用

1)激光手術治療。半導體(ti) 激光已經用於(yu) 軟組織切除，組織接合、凝固和汽化。普通外科、整形外科、皮膚科、泌尿科、婦產(chan) 科等，均廣泛地采用了這項技術。

2)激光動力學治療。將對腫瘤有親(qin) 合性的光敏物質有選擇地聚集於(yu) 癌組織內(nei) ，通過半導體(ti) 激光照射，使癌組織產(chan) 生活性氧，旨在使其壞死而對健康組織毫無 損害。

3)生命科學研究。使用半導體(ti) 激光的“光鑷”，可以撲捉活細胞或染色體(ti) 並移至 任意位置，已經用於(yu) 促進細胞合成，細胞相互作用等研究，還可以作為(wei) 法醫取證的診斷技術。

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