半導體(ti) 激光器是什麽(me) ？

半導體(ti) 激光器是一種把電能轉換為(wei) 光能的新型器件。1962年有人研究成功在液氮溫度下，正向偏置的砷化镓PN結激光器。以後又研究成功了雙異質結的半導體(ti) 激光器，使半導體(ti) 激光器的性能有了進一步的提高。半導體(ti) 激光器具有體(ti) 積小、牢固可靠、效率高可以直接由注入電流激勵或調製等優(you) 點。它在光纖通訊、工業(ye) 、醫學等許多領域有著重要的應用。

一、什麽(me) 叫激光

假設一個(ge) 原子有兩(liang) 個(ge) 能量狀態E1和E2。處在E1的原子能量較低，我們(men) 稱它為(wei) 基態；處在E2的原子能量較高，稱為(wei) 激發態。在通常情況下，大部分原子都處於(yu) 能量較低的E1狀態。如果該原子受到光照，而且光波的頻率v與(yu) 這兩(liang) 個(ge) 能量狀態的能量具有關(guan) 係，那末，原子會(hui) 吸收光子的能量從(cong) 基態激發到激發態，這就是吸收過程。處在激發態的原子是不穩定的，經過一定時間後，它會(hui) 從(cong) 激發態回到基態，同時放出一個(ge) 能量為(wei) h的光子，這個(ge) 過程稱為(wei) 自發射。但也有可能發生另一種情況，當原子還處在激發態時，又有一個(ge) 能量為(wei) M的光子作用於(yu) 它，這時，這個(ge) 原子會(hui) 受到光子的激勵立即從(cong) 激發態回到基態同時能放出兩(liang) 個(ge) 光子，這個(ge) 過程稱為(wei) 受激發射。我們(men) 注意到，受激發射所產(chan) 生的光子是激勵後產(chan) 生的，所以它的頻率、相位等都與(yu) 激勵它的光子完全相同。

可以用一定的辦法使處在激發態的原子數比處在基態的原子數還要多。我們(men) 把處在這種情況下的係統分布稱為(wei) 粒子數反轉分布。如果一束能量的光子作用於(yu) 一個(ge) 已經達到粒子數反轉的係統上，那末，受激發射的過程將超過吸收過程。也就是說離開這個(ge) 係統的、能量的光子將比進入這個(ge) 係統的光子多。這種現象稱為(wei) 光量子放大。人們(men) 把受激發射光量子放大所產(chan) 生的光稱為(wei) 激光。與(yu) 普通光相比，激光具有許多特殊的性質。它是一種亮度極高，方向性和單色性很好的相幹光輻射。

二、半導體(ti) 激光器

與(yu) 上述原理相似，利用半導體(ti) 材料中的電子能級以及它們(men) 之間的躍遷發光，可以製成半導體(ti) 激光器。用擴散的方法形成PN結，垂直於(yu) PN結的一對平行平麵是光學平麵，它們(men) 是利用砷化镓材料兩(liang) 個(ge) 平行的解理麵形成的，構成所謂諧振腔，前後是兩(liang) 個(ge) 粗糙的平麵在PN結上加正向偏壓，並且使正向偏壓足夠大。由於(yu) 大量的少數載流子注入，在PN結的空間電荷區附近存在一個(ge) 粒子數反轉分布的區域，我們(men) 稱為(wei) “有源區”。一對平行的光學平麵限製了部分光的透射。光在內(nei) 部來回反射，逐漸增強，最後形成激光輸出。粗糙表麵的作用是使激光輸出限製在一個(ge) 方向上。

半導體(ti) 激光器的主要特性參數有閾值電流、功率效率、峰值發射波長和譜線寬度。閾值電流表示激光器產(chan) 生激光所需的最小工作電流。功率效率表示輸出的光功率與(yu) 注入的電功率之比。峰值發射波長是激光輻射強度最大處的波長。光譜線最大強度的一半所對應的兩(liang) 個(ge) 波長之差稱為(wei) 譜線寬度。

由同一種半導體(ti) 材料構成的PN結稱為(wei) 同質結。由兩(liang) 種不同材料構成的PN結稱為(wei) 異質結。為(wei) 了提高半導體(ti) 激光器的性能，已經改進和研製了不同結構的激光器。現在正在積極發展與(yu) 研究適用於(yu) 光纖通訊的長波長（工作波長為(wei) 1.3微米和1.5微米）的雙異質結激光器。製造在室溫下連續工作的長壽命半導體(ti) 激光器是半導體(ti) 激光器研製的重要課題。隨著對激光器退化機理的研究以及材料和工藝的改進，半導體(ti) 激光器將開拓更廣闊的道路。