一、激光原理介紹

激光具有單色性好、方向性好、亮度高等優(you) 點，具有極高的應用價(jia) 值。1917年愛因斯坦提出“受激發射”理論，為(wei) 人類打開了激光技術的大門。

激光簡單理解就是一束光，這束光的亮度很亮，通過把光聚集在一起，可以形成很高的能量，產(chan) 生這種能量的設備叫激光器，我們(men) 來看一張激光器的結構圖：

圖片看上去很簡單，但圖片具體(ti) 表達的是什麽(me) 意思呢？

中間灰色的棒子叫YAG，中文名叫釔鋁石榴石（好繞口），其實看上去就是一根玻璃棒，在玻璃棒裏放了一些釹元素，放了釹元素的玻璃棒看上去會(hui) 變漂亮，玻璃棒變成了粉色。

為(wei) 什麽(me) 要放釹呢？

釹這種元素很不穩重，一旦受到刺激就發光。

而我們(men) 需要激光，那麽(me) 就要不停的刺激釹，釹就不停的發光，釹這種元素發出的光波長很穩定，是1064nm！好了，這個(ge) 波長超出了人眼能識別的範圍，我們(men) 看不見。

刺激釹元素的燈，叫泵浦燈，這個(ge) 燈類似於(yu) 日常用的日光燈，燈經常閃來閃去是會(hui) 壞的，過個(ge) 幾年等變得不亮了就要更換。

激光棒激發出來的光要收集利用起來，就要用兩(liang) 個(ge) 光學鏡片堵在激光棒的兩(liang) 邊，像兩(liang) 個(ge) 閘門一樣，讓光按照一定方向出來。

這個(ge) 圖就是把3個(ge) 激光器給串在一起，把激光能量一步一步加大，然後沿著紅色和黑色的路線傳(chuan) 輸。

因為(wei) 激光的傳(chuan) 輸是采用光纖傳(chuan) 輸的，這種激光器也叫光纖傳(chuan) 導激光器。

激光器的外觀是這樣的，要是在激光發射的過程中盯著激光器看，激光器裏的電燈一閃一閃，會(hui) 亮瞎大家的雙眼，所以在使用激光器的過程中，要戴好防護眼鏡。

剛才講了一款激光器，科學家們(men) 又根據產(chan) 生激光的不同物質，把激光器分成了氣體(ti) 激光器、固體(ti) 激光器、半導體(ti) 激光器。

來張圖：

簡單的理解就是，產(chan) 生激光的物質是氣體(ti) ，就要氣體(ti) 激光器，產(chan) 生激光的物質是固體(ti) ，就叫固體(ti) 激光器…

如果用專(zhuan) 業(ye) 的詞匯來介紹激光產(chan) 生，位於(yu) 激光諧振腔的增益介質受到泵浦光激勵將增益介質內(nei) 電子激發到更高的能級，然後釋放光子回到低能級。下圖表示了能級之間的光子-載流子變化。高能級電子自發釋放能量躍遷到低能級，被稱為(wei) 自發輻射(光子發射)；低能級電子受到外部激勵，躍遷到高能級，被稱為(wei) 受激吸收(光子吸收)；高能級的電子受到外界光子泵浦，釋放出同頻光子，躍遷到低能級，被稱為(wei) 受激發射(相幹光發射)；處於(yu) 高能級的電子躍遷到低能級，產(chan) 生的能量不以電磁輻射的形式釋放，被稱為(wei) 非輻射躍遷。

受到泵浦光激勵的增益介質放出大量光子，諧振腔的兩(liang) 端的腔鏡可以對腔內(nei) 光束模式進行選擇。部分光子在高反射率的激光諧振腔內(nei) 多次反射不泄露，這部分光子經過增益介質的受激輻射放大過程，會(hui) 形成高度簡並度的光子束，從(cong) 而形成激光。在增益芯片處於(yu) 熱平衡狀態時，有源區內(nei) 分子在能級上的分布遵從(cong) 玻爾茲(zi) 曼分布，低能級分布的粒子數遠大於(yu) 高能態分布的粒子數，此時受激吸收的概率大於(yu) 受激輻射概率，無法實現激光的有效輸出。當泵浦光持續泵浦增益介質，分布在高能級的粒子數越來越多，最終實現高能級分布粒子數大於(yu) 低能級的粒子數，被稱為(wei) 粒子數反轉，這個(ge) 過程就是光放大。

二、半導體(ti) 激光器的發明

剛才講了把激光器按不同結構可分成了氣體(ti) 激光器、固體(ti) 激光器、半導體(ti) 激光器。

這一章介紹的重點是半導體(ti) 激光器的原理。

早在20世紀50年代，莫斯科列別捷夫物理研究所的Basov教授就已經提出半導體(ti) 激光器的設想，後續逐步研製出各種類型的半導體(ti) 激光器。

1977年由日本東(dong) 京工業(ye) 大學Iga教授提出垂直腔麵發射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)，經過四十餘(yu) 年的發展，VCSEL已經廣泛應用於(yu) 光通信、原子鍾、激光雷達等諸多領域。VCSEL 結構引入可調諧外部諧振腔結構被稱為(wei) 垂直外腔麵發射激光器(Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser,VECSEL)，VECSEL可以在外腔中插入調製器件對輸出激光進行調製。

按照出光方向的差別，可以將半導體(ti) 激光器分為(wei) 兩(liang) 類：垂直腔麵發射半導體(ti) 激光器（VCSEL）和邊緣發射半導體(ti) 激光器(Edge Emitting Laser, EEL)。

三、垂直腔麵發射半導體(ti) 激光器（VCSEL）介紹

垂直外腔麵發射激光器是上世紀90 年代中期發展起來的，它的出現是為(wei) 了克服困擾傳(chuan) 統半導體(ti) 激光器發展的一個(ge) 關(guan) 鍵問題：如何產(chan) 生具有基橫模高光束質量的高功率激光輸出。

垂直外腔麵發射激光器(VECSEL)，也被稱為(wei) 半導體(ti) 碟片激光器(SDL)，是一種相對較新的激光器家族成員。它可以通過改變半導體(ti) 增益介質中量子阱的材料組分和厚度來設計發射波長，結合腔內(nei) 倍頻可以覆蓋從(cong) 紫外到遠紅外的廣泛波長範圍，在實現高功率輸出的同時保持低發散角圓形對稱激光光束。激光諧振腔由增益芯片底層DBR 結構和外部輸出耦合鏡構成。這種獨特的外部諧振腔結構可以在腔內(nei) 插入光學元件實現倍頻、差頻、鎖模等操作，使VECSEL 成為(wei) 從(cong) 生物光子學、光譜學、激光醫療到激光投影等各種應用的理想激光源。

垂直腔麵發射半導體(ti) 激光器的諧振腔垂直於(yu) 有源區所在平麵，其輸出光與(yu) 有源區平麵垂直，如圖所示。

VCSEL 具有獨特的優(you) 勢，例如體(ti) 積小、頻率高、光束質量較好、腔麵損傷(shang) 閾值大、生產(chan) 工藝相對簡單等。其在激光顯示、光通信和光時鍾等方麵的應用中，展示出十分優(you) 異的性能。但是VCSEL 無法獲得瓦級以上的大功率激光，因此不能應用於(yu) 對功率有較高要求的領域中。

VCSEL 的激光諧振腔由有源區上下兩(liang) 側(ce) 的半導體(ti) 材料多層外延結構組成的分布式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR)構成，與(yu) EEL 采用解理麵構成的激光諧振腔有很大區別。VCSEL 光學諧振腔方向垂直於(yu) 芯片表麵，激光輸出也垂直於(yu) 芯片表麵，兩(liang) 側(ce) DBR的反射率也都比EEL解理麵要高很多。

VCSEL 的激光諧振腔的長度一般為(wei) 幾微米，遠小於(yu) EEL的mm量級的諧振腔，腔內(nei) 光場振蕩獲得的單程增益較低，雖然可以實現基橫模輸出，但是輸出功率隻能達到數毫瓦。VCSEL 輸出激光光束的截麵輪廓為(wei) 圓形，而且發散角比邊發射型激光器光束發散角小很多。VCSEL實現高功率輸出需要增大發光區域提供更多的增益，而發光區域增大會(hui) 導致輸出激光變成多模輸出，同時較大的發光區域內(nei) 很難實現均勻的電流注入，電流注入不均勻會(hui) 加劇廢熱積累。

總之，垂直腔麵發射類型的半導體(ti) 激光器(VCSEL)通過合理的結構設計可以輸出基模圓形對稱光斑，但是在單模輸出時輸出功率較低。

因此，常有將多個(ge) VCSEL集成後輸出方式。

四、邊緣發射半導體(ti) 激光器(Edge Emitting Laser, EEL)介紹

想要獲得大功率的半導體(ti) 激光輸出，現階段的技術是采用邊緣發射的結構方式。邊緣發射半導體(ti) 激光器的諧振腔由半導體(ti) 晶體(ti) 天然的解離麵構成，其輸出光束是從(cong) 激光器的前端麵發射的。

邊發射類型的半導體(ti) 激光器(Edge Emitting Laser, EEL)可以實現大功率輸出，但是其輸出光斑呈橢圓形，光束質量差，需要搭配光束整形係統修飾光束形貌。

下圖為(wei) 邊發射型半導體(ti) 激光器的結構示意圖。EEL的光學腔是以兩(liang) 個(ge) 端麵作為(wei) 反射鏡，光學腔平行於(yu) 半導體(ti) 芯片表麵，在半導體(ti) 芯片的邊緣發射激光，可以實現高功率、高速率和低噪聲的激光輸出。但是EEL 輸出的激光光束一般有著不對稱的光束橫截麵和較大的角發散，與(yu) 光纖或其他光學元件的耦合效率低。

EEL 的輸出功率的提升會(hui) 受到有源區廢熱積累和半導體(ti) 表麵光學損傷(shang) 的限製。通過增大波導麵積降低有源區廢熱積累來改善散熱，增加出光麵積降低光束光功率密度來避免光學損傷(shang) ，在單橫模波導結構中可以實現高達幾百毫瓦的輸出功率。

對於(yu) 100mm 量級的波導，單條邊發射激光器可以實現幾十瓦的輸出功率，但是此時波導在芯片的平麵上是高度多模的，輸出光束的長寬比也達到100：1，需要外加複雜的光束整形係統。

在材料技術和外延生長技術等沒有新突破的前提下，提高單條半導體(ti) 激光芯片輸出功率的主要途徑是增加芯片發光區域的條寬。然而過高地增加條寬容易產(chan) 生橫向的高次模振蕩和絲(si) 狀振蕩，將大大降低出光的均勻性，且輸出功率並不隨條寬成比例增加，因此單條芯片的輸出功率是極其有限的。為(wei) 了大幅提高輸出功率，陣列技術應運而生。該技術通過將多個(ge) 激光單元集成在同一片襯底上，使各個(ge) 發光單元在慢軸方向上排列為(wei) 一維陣列，隻要采用光隔離技術將陣列中的各個(ge) 發光單元隔開，使其互不幹擾，形成多孔徑激射，即可通過增加集成發光單元的數量來提高整個(ge) 芯片的輸出功率。此種半導體(ti) 激光芯片即為(wei) 半導體(ti) 激光陣列（LDA）芯片，也稱為(wei) 半導體(ti) 激光bar條。

五、結論

總之，麵發射型半導體(ti) 激光器具有良好的基模圓形對稱激光輸出，但是輸出功率較低，而邊緣發射型半導體(ti) 激光器可以發射高功率輸出，但是激光光束為(wei) 橢圓形。對於(yu) 高功率操作，兩(liang) 種類型的半導體(ti) 激光器都會(hui) 出現多模輸出光束，傳(chuan) 統的邊緣型或麵發射型半導體(ti) 激光器不能同時實現高功率輸出和良好的光束質量。

參考文獻：

(1)張卓 高功率垂直外腔麵發射半導體(ti) 激光器的光束與(yu) 波長調控研究[D].

(2)苟於(yu) 單 808nm、1064nm激...轉換芯片材料生長及器件研究[D].

(3)賈冠男 大功率半導體(ti) 激光陣列芯片封裝關(guan) 鍵技術研究[D].

來自： 半導體(ti) 全解