激光是科幻小說(shuō)里的東西：又大又重的盒子能產(chǎn)生熾熱的光。如果你在實(shí)驗(yàn)室里見(jiàn)過(guò)一束普通的激光，你就會(huì)知道它是一種相當(dāng)笨重的東西：通常大約和你的前臂一樣長(zhǎng)，相當(dāng)重，相當(dāng)熱，能夠產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的光束。但如果激光有那么大，我們?cè)趺茨馨阉鼈冇迷谙癖銛y式CD播放機(jī)和手持條形碼掃描儀這樣的小東西上呢？答案是我們沒(méi)有！這些東西使用一種非常不同的激光器，它和普通的LED（發(fā)光二極管）差不多大小（工作方式也差不多）。半導(dǎo)體激光器（也叫二極管激光器或注入激光器）是由羅伯特·n·霍爾在20世紀(jì)60年代早期開(kāi)發(fā)出來(lái)的，主要因?yàn)樗鼈凅w積小，價(jià)格便宜，現(xiàn)在是世界上使用最廣泛的激光器。

你有可能在最近幾天已使用過(guò)半導(dǎo)體激光器，只是你自己不知道是半導(dǎo)體激光器。如果您已經(jīng)看過(guò)DVD，那么您就可以“瀏覽”其中的DVD。如果您去過(guò)一家雜貨店，并且有條碼商品刷過(guò)與您一起購(gòu)買(mǎi)的結(jié)帳單；如果您已經(jīng)通過(guò)光纖電纜打了長(zhǎng)途電話(huà)，那么您已經(jīng)“通話(huà)”了；如果您使用激光打印機(jī)進(jìn)行過(guò)打印，則您的打印輸出已經(jīng)非常接近了。半導(dǎo)體激光器可以發(fā)出強(qiáng)大而精確的光束（就像普通激光器一樣），但是它們的尺寸與簡(jiǎn)單的LED（在電子儀表板上看到的小彩色燈）大小相同。

如果您已經(jīng)閱讀了有關(guān)二極管的文章，您將已經(jīng)知道LED的工作原理。本質(zhì)上，LED是一種半導(dǎo)體三明治，其“面包”由兩種不同類(lèi)型的經(jīng)過(guò)處理的硅切片制成，稱(chēng)為p型（富含“空穴”，換句話(huà)說(shuō)，就是略微缺少電子，里面有微小的帶負(fù)電荷的顆粒）原子）和n型（電子略多）。將兩個(gè)切片放在一起，就可以制造出具有各種有趣特性的所謂的p-n結(jié)二極管。

在普通的二極管中，p-n結(jié)的工作就像一個(gè)旋轉(zhuǎn)柵，它僅允許電流沿一個(gè)方向流動(dòng)（稱(chēng)為正向偏置操作）。當(dāng)電子流過(guò)該勢(shì)壘時(shí)，它們與另一側(cè)的空穴結(jié)合，并以聲子（聲音振動(dòng)）的形式發(fā)出能量，這些能量消失在硅晶體中。在LED中，發(fā)生的過(guò)程大致相同，但是能量的發(fā)出不是聲子，而是光子-可見(jiàn)光包。

照片：此照片左下方的小圓圈是CD播放器中的半導(dǎo)體激光二極管。右上角較大的藍(lán)色圓圈是鏡頭，可讀取從CD反射回來(lái)的反射光。切勿試圖看CD播放器中的激光：您很容易蒙蔽自己。

半導(dǎo)體激光器

定義：

它是專(zhuān)門(mén)制造的pn結(jié)二極管。當(dāng)該二極管正向偏置時(shí)，它會(huì)發(fā)出激光。

原理：

當(dāng)pn結(jié)二極管被正向偏置時(shí)，來(lái)自n-區(qū)的電子和來(lái)自p-區(qū)的空穴穿過(guò)結(jié)并彼此復(fù)合。

在重組過(guò)程中，光輻射（光子）從某些特定的直接帶隙半導(dǎo)體（如Ga-As）中釋放出來(lái)。這種光輻射被稱(chēng)為復(fù)合輻射。

重組過(guò)程中發(fā)出的光子會(huì)刺激其他電子和空穴復(fù)合。結(jié)果，發(fā)生了產(chǎn)生激光的受激發(fā)射。

施工：

活性介質(zhì)是由砷化鎵單晶制成的pn結(jié)二極管。將該晶體切割成厚度為0.5μmm的盤(pán)狀。

血小板由具有電子傳導(dǎo)性（n型）和空穴傳導(dǎo)性（p型）的兩部分組成。

在非常薄的PN結(jié)層（約幾微米）中激發(fā)光子發(fā)射。電壓通過(guò)固定在上表面上的電極施加到晶體上。

結(jié)型二極管的端面拋光良好且彼此平行。它們充當(dāng)光諧振器，發(fā)出的光通過(guò)光諧振器發(fā)出。

加工：

當(dāng)PN結(jié)被施加較大的施加電壓正向偏置時(shí)，電子和空穴將以相當(dāng)大的濃度注入結(jié)區(qū)

結(jié)周?chē)膮^(qū)域在導(dǎo)帶中包含大量電子，在價(jià)帶中包含大量空穴。

如果人口密度高，則可以實(shí)現(xiàn)人口反轉(zhuǎn)的條件。電子和空穴彼此復(fù)合，并且這種復(fù)合產(chǎn)生光形式的輻射。

當(dāng)正向偏置電壓增加時(shí)，會(huì)發(fā)射出越來(lái)越多的光子，并且光的產(chǎn)生會(huì)立即變強(qiáng)。這些光子將觸發(fā)刺激的重組鏈，導(dǎo)致光子同相釋放。

在結(jié)平面處移動(dòng)的光子通過(guò)在彼此平行且相對(duì)的兩側(cè)之間的反射來(lái)回傳播，并增強(qiáng)強(qiáng)度。

獲得足夠的強(qiáng)度后，它發(fā)出波長(zhǎng)為8400 o A的激光束 。激光的波長(zhǎng)為

其中E g是焦耳中的帶隙能量。

特點(diǎn)：

1.類(lèi)型：固態(tài)半導(dǎo)體激光器。

2.活性介質(zhì)：由砷化鎵單晶制成的PN結(jié)二極管 用作活性介質(zhì)。

3.抽水方式：直接轉(zhuǎn)換方式用于抽水

4.功率輸出： 該激光器的功率輸出為1mW。

5.輸出 的性質(zhì)：輸出的性質(zhì)是連續(xù)波或脈沖輸出。

6.輸出的波長(zhǎng)： 砷化鎵激光給出紅外輻射的波長(zhǎng)8300至8500 ò 甲 。

優(yōu)點(diǎn)：

1.尺寸很小。布置簡(jiǎn)單緊湊。

2.效率高。

3.通過(guò)控制結(jié)電流可以輕松增加激光輸出

4.與紅寶石和CO 2激光器相比，其功率更低。

5.它幾乎不需要輔助設(shè)備

6.它可以具有連續(xù)波輸出或脈沖輸出。

缺點(diǎn)：

1.難以控制激光器的模式圖案和模式結(jié)構(gòu)。

2.輸出通常為5度到15度，即激光束發(fā)散大。

3.純度和單色度比其他類(lèi)型的激光強(qiáng)大

4.閾值電流密度非常大（400A / mm 2）。

5.一致性和穩(wěn)定性差。

應(yīng)用：

1.廣泛用于光纖通信

2.用于紅外線(xiàn)治療傷口

3. 它也用作止痛藥

4. 用于激光打印機(jī)和CD的讀寫(xiě)。

半導(dǎo)體激光器如何發(fā)光

在激光二極管中，我們采取了進(jìn)一步行動(dòng)，以使發(fā)出的光更純凈，更強(qiáng)大。代替使用硅作為半導(dǎo)體，我們使用不同的材料，特別是鋁和砷化鎵的合金（磷化砷化銦鎵是另一種流行的選擇）。電子被注入到二極管中，它們與空穴結(jié)合，它們的一些多余能量被轉(zhuǎn)換成光子，與更多的入射電子相互作用，從而幫助產(chǎn)生更多的光子，以此類(lèi)推，這種自我延續(xù)的過(guò)程稱(chēng)為共振。輸入電子到輸出光子的這種重復(fù)轉(zhuǎn)換類(lèi)似于在傳統(tǒng)的基于氣體的激光器中發(fā)生的受激發(fā)射過(guò)程。

藝術(shù)品：激光二極管的基本設(shè)置。當(dāng)電子和光子在以類(lèi)似于常規(guī)結(jié)型二極管或LED的方式排列的p-n結(jié)中相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生激光。二極管的一端被拋光，因此激光可以從二極管中射出。另一端留有粗糙，以幫助限制光線(xiàn)。

在常規(guī)激光器中，通過(guò)在兩個(gè)反射鏡之間反復(fù)“泵浦”從原子發(fā)射的光來(lái)產(chǎn)生集中光束。在激光二極管中，當(dāng)光子在p型和n型半導(dǎo)體切片之間的微觀(guān)結(jié)點(diǎn)（大約1微米寬）中來(lái)回反彈時(shí)，會(huì)發(fā)生等效過(guò)程，這在技術(shù)上稱(chēng)為Fabry-Perot諧振腔（一種干涉儀）。最終，放大的激光從間隙的拋光端以平行于結(jié)的光束射出。從那里開(kāi)始，它可以繼續(xù)從CD上讀取音樂(lè)，掃描玉米片的價(jià)格，打印出大學(xué)論文或做其他一千件事！

堆疊式激光二極管

早期的激光二極管只能發(fā)射單個(gè)相對(duì)較弱的光束，但是精巧的電子工程師很快就找到了使它們更強(qiáng)大的方法。自1990年代以來(lái)，一種常見(jiàn)的方法是將多個(gè)激光二極管相互疊置（如公寓樓），然后使用準(zhǔn)直儀和/或透鏡將其單個(gè)光束聚焦為單個(gè)輸出光束。這種布置被不同地稱(chēng)為半導(dǎo)體激光器堆疊，堆疊的激光二極管或僅稱(chēng)為二極管堆疊。除了產(chǎn)生比單個(gè)激光二極管更大的功率之外，堆棧還提供了同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)不同波長(zhǎng)的可能性（因?yàn)槎褩Ｖ械拿總€(gè)激光器可以產(chǎn)生不同的波長(zhǎng)）。而不是單個(gè)P-N結(jié)，而是多個(gè)結(jié)，并且激光束從它們之間的有源層發(fā)出。通常，在堆疊的層之間也至少有一個(gè)隧道結(jié)。一對(duì)端子（有時(shí)稱(chēng)為歐姆接觸）將電能提供給整個(gè)電池組。

藝術(shù)品：一個(gè)簡(jiǎn)單的堆疊式激光二極管，包括兩個(gè)二極管激光器，一個(gè)位于另一個(gè)頂部，并且由砷化鋁鎵鎵的摻雜層制成。端子（歐姆接觸）的頂部和底部顯示為灰色，基板（基材）為綠色，P型層顯示為藍(lán)色，N型層顯示為紅色。隧道結(jié)標(biāo)記為J2。由美國(guó)專(zhuān)利和商標(biāo)局提供的藝術(shù)作品，來(lái)自美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5，212，706：1993年5月18日，康涅狄格大學(xué)的Faquir C. Jain提出的具有隧道結(jié)并提供多光束的激光二極管組件。

1. 半導(dǎo)體激光器的光發(fā)射

半導(dǎo)體激光器（LD）是一種通過(guò)將電流注入半導(dǎo)體而引起激光振蕩的裝置。發(fā)光的機(jī)理與發(fā)光二極管（LED）相同。光是通過(guò)將正向電流流動(dòng)到p-n結(jié)而產(chǎn)生的。正偏置操作時(shí)，p型層與正極連接，n型層與負(fù)極連接，電子從n型層進(jìn)入，空穴從p型層進(jìn)入。當(dāng)兩者在交界處相遇時(shí)，一個(gè)電子落入一個(gè)空穴，同時(shí)發(fā)出光。

2. 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)。有源層（光發(fā)射層）夾在p型和n型復(fù)合層（雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)）之間，形成在n型襯底上，從電極向p-n結(jié)施加電壓。活動(dòng)層的兩邊都有鏡面。當(dāng)施加正向電壓時(shí)，電子在p-n結(jié)處與空穴結(jié)合，并對(duì)光產(chǎn)生影響。這種光還不是激光;由于復(fù)層的折射率比有源層的折射率低，它被限制在有源層內(nèi)。此外，活動(dòng)層的兩端作為一個(gè)反射鏡，光在活動(dòng)層往復(fù)。然后，光被激發(fā)發(fā)射過(guò)程放大，產(chǎn)生激光振蕩。

3.半導(dǎo)體激光器類(lèi)型

半導(dǎo)體激光器的中心波長(zhǎng)主要取決于有源層半導(dǎo)體的帶隙能量。然而，在帶隙能量相同的情況下，激光光譜的細(xì)節(jié)因LD類(lèi)型的不同而不同。

法布里-珀羅半導(dǎo)體激光器

這種激光器具有最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，可用于許多應(yīng)用，包括cd、dvd和BDs的光學(xué)拾取;激光打印機(jī);以及光纖激光器的激發(fā)。它的特點(diǎn)是利用激光晶體的解理面來(lái)反射有源層中發(fā)射的光，如圖1所示。晶體的解理面極其光滑，可用作反射鏡。由于Fabry perot-LD沒(méi)有選擇特定振蕩波長(zhǎng)的機(jī)制，因此多激光器振蕩在增益帶寬范圍內(nèi)發(fā)生。在光纖傳輸中，多波長(zhǎng)的振蕩會(huì)導(dǎo)致脈沖展寬，因此不能應(yīng)用于長(zhǎng)距離通信。

（2） DFB半導(dǎo)體激光器

DFB激光器（分布式反饋激光器）在有源層下面或上面有一個(gè)光柵，在光柵的布拉格波長(zhǎng)所確定的單波長(zhǎng)處振蕩。圖3演示了結(jié)構(gòu)大綱。它具有較窄的光譜寬度和較低的噪聲等優(yōu)越性能，可用于長(zhǎng)途光通信中作為光信號(hào)源。

（3） FBG波長(zhǎng)穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器

DFB激光器具有單波長(zhǎng)振蕩的優(yōu)良性能，但制造難度大，成本高。用光纖光柵穩(wěn)定單波長(zhǎng)的激光二極管是一種更經(jīng)濟(jì)的單波長(zhǎng)振蕩激光器。在這種情況下，激光腔由有源層的HR涂層端面和低反射率的光纖光柵組成。只畫(huà)出了纖芯。所述有源層的另一端和所述光纖的入射端均有AR涂層，以防止反射光。此外，光纖的入射端被加工成透鏡配置以收集光。由于在光纖芯內(nèi)形成的光纖光柵只反射一個(gè)特定波長(zhǎng)，因此會(huì)發(fā)生單波長(zhǎng)振蕩。

半導(dǎo)體激光應(yīng)用實(shí)例

半導(dǎo)體激光器通過(guò)利用包括直線(xiàn)度，小發(fā)射點(diǎn)尺寸（幾個(gè)um），單色性，高光密度和相干性的特性而被用于各種應(yīng)用。

最近，半導(dǎo)體激光器已應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)感測(cè)，HDD熱輔助磁記錄和照明（投影儀和前照燈）。
責(zé)任編輯：tzh