半導(dǎo)體激光器的歷史狀況及應(yīng)用

石飛飛

北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100083

0 引言

激光器的結(jié)構(gòu)從同質(zhì)結(jié)發(fā)展成單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱(單、多量子阱) 等多種形式，制作方法從擴(kuò)散法發(fā)展到液相外延(LPE)、氣相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)化合物氣相淀積(MOCVD)、化學(xué)束外延(CBE)以及它們的各種結(jié)合型等多種工藝[5]。半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍十分廣泛，而且由于它的體積小，結(jié)構(gòu)簡單，輸入能量低，壽命長，易于調(diào)制和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，使它已經(jīng)成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)，受到了世界各國的高度重視。

1 半導(dǎo)體激光器的歷史

半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管(LD)。隨著半導(dǎo)體物理的發(fā)展，人們?cè)缭?0世紀(jì)50年代就設(shè)想發(fā)明半導(dǎo)體激光器。

20世紀(jì)60年代初期的半導(dǎo)體激光器是同質(zhì)結(jié)型激光器，是一種只能以脈沖形式工作的半導(dǎo)體激光器。在1962年7月召開的固體器件研究國際會(huì)議上，美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的兩名學(xué)者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）報(bào)告了砷化鎵材料的光發(fā)射現(xiàn)象。

半導(dǎo)體激光器發(fā)展的第二階段是異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器，它是由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層，如GaAs，GaAlAs所組成的激光器。單異質(zhì)結(jié)注人型激光器(SHLD)，它是利用異質(zhì)結(jié)提供的勢(shì)壘把注入電子限制在GaAsP一N結(jié)的P區(qū)之內(nèi)，以此來降低閥值電流密度的激光器。

1970年，人們又發(fā)明了激光波長為9000?在室溫下連續(xù)工作的雙異質(zhì)結(jié)GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼鋁砷)激光器.在半導(dǎo)體激光器件中，目前比較成熟、性能較好、應(yīng)用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注人式GaAs二極管激光器.

從20世紀(jì)70年代末開始，半導(dǎo)體激光器明顯向著兩個(gè)方向發(fā)展，一類是以傳遞信息為目的的信息型激光器；另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器。在泵浦固體激光器等應(yīng)用的推動(dòng)下，高功率半導(dǎo)體激光器(連續(xù)輸出功率在100W以上，脈沖輸出功率在5W以上，均可稱之謂高功率半導(dǎo)體激光器)在20世紀(jì)90年代取得了突破性進(jìn)展，其標(biāo)志是半導(dǎo)體激光器的輸出功率顯著增加，國外千瓦級(jí)的高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商品化，國內(nèi)樣品器件輸出已達(dá)到600W。另外，還有高功率無鋁激光器、紅外半導(dǎo)體激光器和量子級(jí)聯(lián)激光器等等。其中，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器是通過外加的電場、磁場、溫度、壓力、摻雜盆等改變激光的波長，可以很方便地對(duì)輸出光束進(jìn)行調(diào)制。

20世紀(jì)90年代末，面發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器得到了迅速的發(fā)展。

目前，垂直腔面發(fā)射激光器已用于千兆位以太網(wǎng)的高速網(wǎng)絡(luò)，為了滿足21世紀(jì)信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲(chǔ)大容量以及軍用裝備小型、高精度化等需要，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢(shì)主要是向高速寬帶LD、大功率LD，短波長LD，盆子線和量子點(diǎn)激光器、中紅外LD等方面發(fā)展。

2 半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進(jìn)展較快的一類激光器。目前，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通訊、測(cè)距、精密儀器加工，光集成的信息存儲(chǔ)和信息處理等。

在光纖通訊中，半導(dǎo)體激光器是光纖通訊系統(tǒng)的唯一實(shí)用化的光源，而且光纖通訊已經(jīng)成為當(dāng)代通訊的主流。到如今，它是當(dāng)前光通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源。

在激光測(cè)距中，激光測(cè)距儀重量輕、體積小、操作簡單速度快而準(zhǔn)確，其誤差僅為其它光學(xué)測(cè)距儀的1/5到數(shù)百分之一，因而被廣泛用于地形測(cè)量，戰(zhàn)場測(cè)量，坦克，飛機(jī)，艦艇和火炮對(duì)目標(biāo)的測(cè)距，測(cè)量云層、飛機(jī)、導(dǎo)彈以及人造衛(wèi)星的高度等。

在精密儀器加工中，借助Q開關(guān)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的高能量超短光脈沖，可以對(duì)集成電路進(jìn)行切割、打孔等。

在光集成的信息存儲(chǔ)應(yīng)用中，人們采用短激光波長讀出光盤的內(nèi)容，采用藍(lán)、綠激光來提高光盤的存儲(chǔ)密度。

在信息處理應(yīng)用中，表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器二維陣列是光并行處理系統(tǒng)的理想光源，且用于光計(jì)算機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中。

此外，半導(dǎo)體激光器還運(yùn)用在環(huán)境檢測(cè)和醫(yī)療中。在環(huán)境檢測(cè)中，通過分析光譜來分析環(huán)境氣體，從而監(jiān)測(cè)大氣污染、汽車尾氣等。在醫(yī)療方面，半導(dǎo)體激光除了用于軟組織切除，組織接合，凝固和汽化等外，還用于激光動(dòng)力學(xué)治療，將與腫瘤有親和性的光敏物質(zhì)有選擇地聚集在癌組織內(nèi)，通過半導(dǎo)體激光的照射，使癌組織壞死，而對(duì)健康組織毫無損害。

3 結(jié)論

半導(dǎo)體激光器的波長范圍寬，制作簡單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且體積小、重量輕、壽命長。因此，品種發(fā)展快，運(yùn)用十分廣泛。雖然我國半導(dǎo)體激光器的研制和生產(chǎn)技術(shù)有了一定的基礎(chǔ)，但要與國際上迅速發(fā)展的趨勢(shì)相比，我國還有一些差距，這需要我們刻苦專研，努力創(chuàng)新。

參考資料

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[2]劉樹林,張華曹,柴常春[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005，2.

[3]付燕軍,鄒文棟,肖慧榮，甘月紅.半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路的光功率控制的研究[J].紅外與激光工程，2005，34（5）.

[4]周崇喜,劉銀輝，謝偉民，杜春雷.大功率半導(dǎo)體激光器陣列光束光纖耦合研究[J].中國激光，2004，31（11）.

[5]王德，李學(xué)千.半導(dǎo)體激光器的最新進(jìn)展及其應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程，2001，9（3）.