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半導(dǎo)體激光器
吳建明 2009/1/20
Abstract:Theworkingprincipleofsemiconductorlasers,thehistoryofthedevelopmentandapplicationprospecttomakeabriefintroduction.
Keyword:electricinjectioncavity,gain,heterojunctionlasers
摘要：本文對(duì)半導(dǎo)體激光器的工作原理、發(fā)展歷史和應(yīng)用前景作一簡(jiǎn)略的介紹.
關(guān)鍵字：電注入、諧振腔、增益、異質(zhì)結(jié)激光器
1 概述
半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的Pn結(jié)或Pin結(jié)為工作物質(zhì)的一種小型化激光器.半導(dǎo)體激光工作物質(zhì)有幾十種，目前已制成激光器的半導(dǎo)體材料有砷化稼(GaAs)、砷化錮(InAs)、銻化錮(InSb)、硫化鍋(cds)、蹄化福(CdTe)、硒化鉛(PbSe)、啼化鉛(PhTe)、鋁稼砷(A1xGa-As)、錮磷砷(In-PxAS)等.
半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注人式、光泵式和高能電子束激勵(lì)式.
絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式是電注入，即給Pn結(jié)加正向電壓，以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射，也就是說(shuō)是個(gè)正向偏置的二極管，因此半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管.對(duì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，由于電子是在各能帶之間進(jìn)行躍遷，而不是在分立的能級(jí)之間躍遷，所以躍遷能量不是個(gè)確定值，這使得半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)展布在一個(gè)很寬的范圍上.它們所發(fā)出的波長(zhǎng)在3-34pm之間.其波長(zhǎng)范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見(jiàn)的是AlGaA:雙異質(zhì)結(jié)激光器，其輸出波長(zhǎng)為750-890nm.
世界上第一只半導(dǎo)體激光器是1962年問(wèn)世的，經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長(zhǎng)從紅外、紅光到藍(lán)綠光，被蓋范圍逐漸擴(kuò)大，各項(xiàng)性能參數(shù)也有了很大的提高，其制作技術(shù)經(jīng)歷了由擴(kuò)散法到液相外延法(LPE)，氣相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE),MOCVD方法(金屬有機(jī)化合物汽相淀積)，化學(xué)束外延(CBE)以及它們的各種結(jié)合型等多種工藝.其激射閉值電流由幾百mA降到幾十mA，直到亞mA，其壽命由幾百到幾萬(wàn)小時(shí)，乃至百萬(wàn)小時(shí)從最初的低溫(77K)下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到宰la下連續(xù)工作，輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級(jí)(陣列器件)它具有效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能、功率轉(zhuǎn)換效率高(已達(dá)10%以上、最大可達(dá)50%).便于直接調(diào)制、省電等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大.目前，固定波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的使用數(shù)量居所有激光器之首，某些重要的應(yīng)用領(lǐng)域過(guò)去常用的其他激光器，已逐漸為半導(dǎo)體激光器所取代.
半導(dǎo)體激光器最大的缺點(diǎn)是:激光性能受溫度影響大，光束的發(fā)散角較大(一般在幾度到20度之間)，所以在方向性、單色性和相干性等方面較差.但隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的研究正向縱深方向推進(jìn)，半導(dǎo)體激光器的性能在不斷地提高.目前半導(dǎo)體激光器的功率可以達(dá)到很高的水平，而且光束質(zhì)量也有了很大的提高.以半導(dǎo)體激光器為核心的半導(dǎo)體光電子技術(shù)在21世紀(jì)的信息社會(huì)中將取得更大的進(jìn)展，發(fā)揮更大的作用.
2半導(dǎo)體激光器的工作原理
半導(dǎo)體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個(gè)基本條件:(1)增益條件:建立起激射媒質(zhì)(有源區(qū))內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布。在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級(jí)所組成的能帶，因此在半導(dǎo)體中要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個(gè)能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價(jià)帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注人必要的載流子來(lái)實(shí)現(xiàn)，將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去.當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用.
(2)要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜.對(duì)F-p腔(法布里一拍羅腔)半導(dǎo)體激光器可以很方便地利用晶體的與P一n結(jié)平面相垂直的自然解理面構(gòu)成F一P腔.
(3)為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場(chǎng).這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件.當(dāng)激光器達(dá)到閥值，具有特定波長(zhǎng)的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出.可見(jiàn)在半導(dǎo)體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發(fā)射和光放大過(guò)程對(duì)于新型半導(dǎo)體激（未完，下一頁(yè)）
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