半導體激光器的應用及適用性探討

唐婧婧

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

關(guān)鍵詞：激光器應用；半導體激光器；適用性

1 半導體激光器的原理

1.1 半導體激光器的工作原理

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

受激輻射（stimulated emission）是：高能級的原子收到能量為 的光子激勵，從高能級躍遷到低能級，輻射出另一個與激勵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。

半導體中的電子能級不是分立的，而是形成能帶，當導帶充斥電子而價帶存在大量空穴時，如圖：

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

1.2 半導體激光器與其他激光器的區(qū)別

工作原理上，半導體激光器和其他激光器并無區(qū)別，而要實現(xiàn)實際輻射光放大，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，同時反轉(zhuǎn)數(shù)產(chǎn)生的增益又大于損耗3。因此半導體激光器和其他激光器的區(qū)別主要反映在能級上，例如氣體固體激光器是依賴于其分離能級間的躍遷。而半導體激光器依賴于一種晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)造的能帶間躍遷，即導帶和價帶的躍遷。

1.3 半導體激光器的理論發(fā)展

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

總的來說，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。

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

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

1970年，美國Bell實驗室報道采用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范圍轉(zhuǎn)移，1988年中科院半導體所實現(xiàn)了InGaAsP/InP DH 長波長多模激光器的室溫連續(xù)工作，激光波長為1.55。同時期發(fā)展的半導體激光器還有長波長單模激光器和量子阱能帶半導體激光器6。

二十世紀九十年代開始，基于量子阱能帶激光器的設計，晶面解理技術(shù)的發(fā)展，半導體激光器的研究偏向于腔鏡結(jié)構(gòu)的設計。1997年，日本日亞公司InGaN多量子阱（ MQW s）藍光激光器實現(xiàn)室溫連續(xù)波運行7。

2 半導體激光器的性質(zhì)

半導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。

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

縱模在形成過程中會出現(xiàn)縱模抑制，動態(tài)單縱模頻率可由調(diào)制電流調(diào)節(jié)。而每個縱模都對應多個橫模，橫模的基模亮度高、光斑小。

基于上述的工作特性，我們可知，半導體激光器的性能特點主要有：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 半導體激光器的應用

由于以上對半導體激光器性能的探討，以及實踐中已采用的技術(shù)，我們可以大致根據(jù)半導體激光器的性能特點對應用進行一個大致的分類：

體積小、質(zhì)量輕：可用于軍工領域如雷達、導彈、等機載設備上的激光信號探測、環(huán)境掃描隱蔽偵察等。在醫(yī)學上，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、門診等。

功率偏低：因為它體積小的緣故，功率偏低的情況下，常用來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基模脊狀單管發(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。

波長范圍可調(diào)節(jié)：對于光通信領域，半導體激光器有波長范圍寬、增益帶寬寬、可直接調(diào)制等優(yōu)點8，可實現(xiàn)紅外到可見光波段任意波長的激光器、能在足夠大的波長范圍內(nèi)選擇激射波長實現(xiàn)帶寬光放大器、可通過控制電流驅(qū)動調(diào)節(jié)振蕩的強度相位和頻率。這些可控因子對于光通信而言至關(guān)重要。

4 半導體激光器的適用性分析

就半導體激光器的原理和性能而言，適用于激光的絕大多數(shù)領域，特別是輕便這一特點，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分子激光器的研究，意味著接下來一段時間里，小型化不再是半導體激光器的獨有優(yōu)勢。

那么如何才能將半導體激光器的獨有優(yōu)勢發(fā)揮？如何才能提高半導體激光器在激光行業(yè)未來發(fā)展中的適用性？我認為必須從原理出發(fā)，來發(fā)展它在生產(chǎn)生活各種需求的適應性。半導體激光器與其他激光器最大的區(qū)別點就在于能帶和腔鏡結(jié)構(gòu)的設計。

在能帶上，主要采用的是量子阱激光器的設計，它是不同成分的半導體材料在一個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)夾在寬帶系的半導體材料中，形成勢能阱。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型半導體激光器由于單縱模、波長可連續(xù)調(diào)諧、無模間跳躍、波長分布廣等特點，在光譜學的研究中（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，也可適用于光譜學的檢測分析的應用上。

總結(jié)

本文主要闡述了半導體激光器的原理以及基于原理產(chǎn)生的各種優(yōu)缺點性質(zhì)，對于半導體激光器的應用的適應性通過對于原理的深入了解，進行了簡單地分析。當下的研究表明，半導體激光器的適用性方向不是偏向于激光加工的應用方向，而是更多集中在光通信、泵浦光源和激光光譜學等領域。

參考文獻

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