唐婧婧

摘 要：如今，激光器的研究的理論體系已趨于成熟，應(yīng)用上也呈現(xiàn)出其性能的實(shí)用性和功能的多樣性。半導(dǎo)體激光器作為激光器應(yīng)用領(lǐng)域的中流砥柱，以它優(yōu)良的性質(zhì)被廣泛采用，所以對(duì)于半導(dǎo)體激光器的適用性的研究具有實(shí)際的意義。本文意在通過(guò)半導(dǎo)體激光器的原理，分析半導(dǎo)體激光器的突出性質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)階段的應(yīng)用實(shí)例，梳理半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的發(fā)展歷程，探討其可發(fā)展的適用范圍。

關(guān)鍵詞：激光器應(yīng)用；半導(dǎo)體激光器；適用性

1 半導(dǎo)體激光器的原理

1.1 半導(dǎo)體激光器的工作原理

半導(dǎo)體激光器（Semiconductor Laser），是利用半導(dǎo)體內(nèi)原子躍遷產(chǎn)生光子的受激輻射光放大過(guò)程的器件，包括光振蕩器以及光放大器1。

受激輻射（stimulated emission）是：高能級(jí)的原子收到能量為 的光子激勵(lì)，從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，輻射出另一個(gè)與激勵(lì)光子完全相同的光子2。如圖：

這里h是普朗克常量，是光的頻率。

半導(dǎo)體中的電子能級(jí)不是分立的，而是形成能帶，當(dāng)導(dǎo)帶充斥電子而價(jià)帶存在大量空穴時(shí)，如圖：

受激輻射時(shí)只要滿足入射光的能量大于帶隙能量時(shí)，即滿足受激輻射條件，產(chǎn)生電子躍遷和光子輻射。

1.2 半導(dǎo)體激光器與其他激光器的區(qū)別

工作原理上，半導(dǎo)體激光器和其他激光器并無(wú)區(qū)別，而要實(shí)現(xiàn)實(shí)際輻射光放大，則需滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和原子分子閾值條件，即高能帶的粒子數(shù)多于低能帶，同時(shí)反轉(zhuǎn)數(shù)產(chǎn)生的增益又大于損耗3。因此半導(dǎo)體激光器和其他激光器的區(qū)別主要反映在能級(jí)上，例如氣體固體激光器是依賴于其分離能級(jí)間的躍遷。而半導(dǎo)體激光器依賴于一種晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)造的能帶間躍遷，即導(dǎo)帶和價(jià)帶的躍遷。

1.3 半導(dǎo)體激光器的理論發(fā)展

由上可知，半導(dǎo)體激光器理論的發(fā)展主要是基于器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

總的來(lái)說(shuō)，器件的結(jié)構(gòu)滿足產(chǎn)生激光條件即需要保證：1、P-N結(jié)電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生光增益；2、正偏結(jié)提供載流子；3、腔體結(jié)構(gòu)形成F-P諧振腔保持振蕩。

最早的半導(dǎo)體激光器是同質(zhì)結(jié)的，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)類似于普通P-N結(jié)，它的閾值電流密度高，需要達(dá)到105A/cm2， 并且只能在液氮的低溫下進(jìn)行脈沖工作。

1967年，采用GaAs/AlGaAs的單異質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用高帶隙勢(shì)壘的阻擋作用4，閾值電流密度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)光功率提高了四倍。

1970年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室報(bào)道采用GaAs/AlGaAs的雙異質(zhì)（DH）結(jié)構(gòu)的0.89室溫連續(xù)工作激光器5。

二十世紀(jì)八十年代，低損耗窗口的發(fā)現(xiàn)使得研究方向向改變波長(zhǎng)范圍轉(zhuǎn)移，1988年中科院半導(dǎo)體所實(shí)現(xiàn)了InGaAsP/InP DH 長(zhǎng)波長(zhǎng)多模激光器的室溫連續(xù)工作，激光波長(zhǎng)為1.55。同時(shí)期發(fā)展的半導(dǎo)體激光器還有長(zhǎng)波長(zhǎng)單模激光器和量子阱能帶半導(dǎo)體激光器6。

二十世紀(jì)九十年代開(kāi)始，基于量子阱能帶激光器的設(shè)計(jì)，晶面解理技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的研究偏向于腔鏡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。1997年，日本日亞公司InGaN多量子阱（ MQW s）藍(lán)光激光器實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)波運(yùn)行7。

2 半導(dǎo)體激光器的性質(zhì)

半導(dǎo)體激光器的工作特性主要是討論閾值電流、方向性、量子效率、光譜特性、縱橫摸特性。

半導(dǎo)體激光器由于晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，閾值電流受到晶體摻雜濃度、諧振腔損耗、溫度和材料節(jié)型的影響。

它的方向性差，發(fā)散角可達(dá)到20°到30°。

量子效率受溫度影響明顯，低溫量子效率大。

輸出光譜在研究過(guò)程中質(zhì)量不斷提高，由于能帶原理的影響，早期的半導(dǎo)體器的單色性不佳。

縱模在形成過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)縱模抑制，動(dòng)態(tài)單縱模頻率可由調(diào)制電流調(diào)節(jié)。而每個(gè)縱模都對(duì)應(yīng)多個(gè)橫模，橫模的基模亮度高、光斑小。

基于上述的工作特性，我們可知，半導(dǎo)體激光器的性能特點(diǎn)主要有：體積小、質(zhì)量輕、可控制其他參數(shù)調(diào)節(jié)閾值電流、量子效率較高，然而光束方向性差、單色性差、相比其他類型激光器功率偏低。

3 半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用

由于以上對(duì)半導(dǎo)體激光器性能的探討，以及實(shí)踐中已采用的技術(shù)，我們可以大致根據(jù)半導(dǎo)體激光器的性能特點(diǎn)對(duì)應(yīng)用進(jìn)行一個(gè)大致的分類：

體積小、質(zhì)量輕：可用于軍工領(lǐng)域如雷達(dá)、導(dǎo)彈、等機(jī)載設(shè)備上的激光信號(hào)探測(cè)、環(huán)境掃描隱蔽偵察等。在醫(yī)學(xué)上，由于它這一性質(zhì)，加上不需要高電流或外循環(huán)冷卻水，可用于醫(yī)療救助環(huán)境，如手術(shù)室、門(mén)診等。

功率偏低：因?yàn)樗w積小的緣故，功率偏低的情況下，常用來(lái)做其他激光器的泵浦光源，例如0.78到0.86波段的AlGaInP寬帶多模激光陣列被用作固體激光器的光泵浦，0.98波段的InGaAs基模脊?fàn)顔喂馨l(fā)射的激光被用作摻鉺光纖放大器（EDFA）和光纖激光器的泵浦光源。

波長(zhǎng)范圍可調(diào)節(jié)：對(duì)于光通信領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器有波長(zhǎng)范圍寬、增益帶寬寬、可直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)8，可實(shí)現(xiàn)紅外到可見(jiàn)光波段任意波長(zhǎng)的激光器、能在足夠大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)選擇激射波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)帶寬光放大器、可通過(guò)控制電流驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)振蕩的強(qiáng)度相位和頻率。這些可控因子對(duì)于光通信而言至關(guān)重要。

4 半導(dǎo)體激光器的適用性分析

就半導(dǎo)體激光器的原理和性能而言，適用于激光的絕大多數(shù)領(lǐng)域，特別是輕便這一特點(diǎn)，使它成為很多環(huán)境下激光器的首選需求，但是，隨著激光設(shè)備的不斷發(fā)展，其他種類的激光器也在往輕型化和小型化的方向發(fā)展，例如氣體激光器中小型準(zhǔn)分子激光器的研究，意味著接下來(lái)一段時(shí)間里，小型化不再是半導(dǎo)體激光器的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)。

那么如何才能將半導(dǎo)體激光器的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)發(fā)揮？如何才能提高半導(dǎo)體激光器在激光行業(yè)未來(lái)發(fā)展中的適用性？我認(rèn)為必須從原理出發(fā)，來(lái)發(fā)展它在生產(chǎn)生活各種需求的適應(yīng)性。半導(dǎo)體激光器與其他激光器最大的區(qū)別點(diǎn)就在于能帶和腔鏡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

在能帶上，主要采用的是量子阱激光器的設(shè)計(jì)，它是不同成分的半導(dǎo)體材料在一個(gè)方向上以薄層交替的齒狀結(jié)構(gòu)，從而將窄帶系的薄層有源區(qū)夾在寬帶系的半導(dǎo)體材料中，形成勢(shì)能阱。它有極高的量子效率，特別適用于作泵浦光源。

在腔鏡結(jié)構(gòu)上，垂直腔表面發(fā)射激光器（VXSEL）和分布反饋激光器（DFB）以及分布布拉格反射激光器（DFR）的研究已經(jīng)卓有成效。其中VCSEL型半導(dǎo)體激光器由于單縱模、波長(zhǎng)可連續(xù)調(diào)諧、無(wú)模間跳躍、波長(zhǎng)分布廣等特點(diǎn)，在光譜學(xué)的研究中（特別是氣體光譜）效果顯著。DBF和DFR兩種激光器主要產(chǎn)生單縱模振蕩、譜線窄、波長(zhǎng)穩(wěn)定性好，適用于通訊波段，此外在光譜技術(shù)上具有可調(diào)諧性，也可適用于光譜學(xué)的檢測(cè)分析的應(yīng)用上。

總結(jié)

本文主要闡述了半導(dǎo)體激光器的原理以及基于原理產(chǎn)生的各種優(yōu)缺點(diǎn)性質(zhì)，對(duì)于半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用的適應(yīng)性通過(guò)對(duì)于原理的深入了解，進(jìn)行了簡(jiǎn)單地分析。當(dāng)下的研究表明，半導(dǎo)體激光器的適用性方向不是偏向于激光加工的應(yīng)用方向，而是更多集中在光通信、泵浦光源和激光光譜學(xué)等領(lǐng)域。

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