半导体激光器的原理|分类|应用

　　半导体激光器是采用半导体激光二极管产生激光的器件，是成熟较早、进展较快的一类激光器。目前，已经广泛应用于通讯、测距、精密仪器加工，光集成的信息存储和信息处理等。

　　半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。半导体激光器是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带(导带与价带)之间，或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

　　半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS，InAs，InSb等)做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS，CdS，ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。

　　半导体激光器半导体激光在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管(Laser diode)等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器(激光笔)，是目前生产量Zda的激光器。

　　半导体激光器又称激光二极管(LD)。随着半导体物理的发展，人们早在20世纪50年代就设想发明半导体激光器。

　　20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。在1962年7月召

　　半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。

　　半导体激光器根据固体的能带理论，半导体材料中电子的能级形成能带。高能量的为导带，低能量的为价带，两带被禁带分开。引入半导体的非平衡电子-空穴对复合时，把释放的能量以发光形式辐射出去，这就是载流子的复合发光。

　　一般所用的半导体材料有两大类，直接带隙材料和间接带隙材料，其中直接带隙半导体材料如GaAs(砷化镓)比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率，发光效率也高得多。

　　半导体复合发光达到受激发射(即产生激光)的必要条件是：

　　①粒子数反转分布分别从P型侧和n型侧注入到有源区的载流子密度十分高时，占据导带电子态的电子数超过占据价带电子态的电子数，就形成了粒子数反转分布。

　　②光的谐振腔在半导体激光器中，谐振腔由其两端的镜面组成，称为法布里-珀罗腔。

　　③高增益用以补偿光损耗。谐振腔的光损耗主要是从反射面向外发射的损耗和介质的光吸收

　　半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：

　　①要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数;

　　②有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡;

　　③要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。

　　半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(即利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。

　　1、阈值电流：

　　当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。影响

　　半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管(LD)，是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。

　　半导体激光器的的分类标准很多，因此根据不同的分类标准，其分类情况也各不相同，从材料、激射波长、激光器的结构、输出功率、应用领域来对激光器进行分类如下：

　　1、按波长分类

　　按激射的波长划分，半导体激光器可分为可见光激光器、红外波长激光器和远红外波长激光器三大类。可见光激光器有发红光的AIGaAs激光器(720～760nm)和InGaAIP激光器(630～680nm)，发蓝绿光的InGaN激光器(400～490nm);红外波长激光器有0.98μm、1.3μm、1.48μm和1.55μm的GalnAsP激光器;远红外波长激光器有InGaAs/AIAsSb量子级联(QC)激光器等。

　　2、按输出功率分类

　　按输出功率的大小来分，半导体激光器可分为小功率(1～10mW)激光器和大功率(1～10W，甚至100W、1000W或更大)激光器。如按应用领域来分，半导体激光器则可分为传感用激光器、光盘存储用激光器、光纤通信用激光器、军事用激光器等。

　　3、按输出方式分类

　　半导体激光器按照激光输出的形式划分可分为：模块捆绑式输出半导体激光器、插拔式输出半导体激光器、光纤输出半导体激光器和窗口输出半导体激光器等。

　　4、按材料分类

　　按半导体激光器有源区的材料来分，大致可以分为三类。diyi类是m-V族材料激光器，如AIGaAs、GaInAsP、GaInAIP、InGaN、GaN等：第二类是III-IV族材料激光器，如ZnSSe、Zn0等;第三类是硅基材料激光器，是用金属键合、异质结外延、直接生长等方式，把GaInAsP、

　　半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。半导体激光器的体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用遍布临床、加工制造、军事，其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展Z为突出。

　　半导体激光器外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。

　　半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面(110面)构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95%以上的反射率。

　　一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合。

　　半导体激光器的制造工艺从原理上与半导体电子器件的工艺有很多相似之处。半导体激光器的诞生需要经过很多的制造工艺步骤才能实现。尽管各种半导体激光器的结构设计不同，制造工艺存在较大的差别，但都大同小异。半导体激光器的基本工艺：衬底的选择和制备;外延生长;腐蚀;扩散、电极制作;解理或划片;装架制管;老化筛选;封装耦合;总测。

　　1、衬底的选择和制备

　　衬底的选择是半导体激光器制造的diyi步。衬底就是用于外延生长的基片。由于外延生长的质量明显地受衬底结晶质量的影响，衬底必须考虑与形成异质结材料的晶格匹配(有时也加缓冲层);具有规定的晶向及一定的偏离范围;要有适当的掺杂浓度;一定的厚度;表面和内部的缺陷密度要低，表面平整光亮，无划痕。

　　2、外延生长

　　外延生长工艺是半导体激光器制造中的核心工艺，它是决定器件性能和成品率的关键步骤。外延生长就是在衬底片上生长多层的-元或多元化合物或合金(固溶体)，以使其形成同质结或异质结。常用外延生长工艺有LPE、MO

　　半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件，具有高速调制、功率稳定、线宽窄、体积小、结构紧凑、驱动电路集成化的特点。半导体激光器通过一定的激励方式，在半导体物质的能带(导带与价带)之间，或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

　　大致根据半导体激光器的性能特点对使用范围进行一个大致的分类：

　　体积小、质量轻：可用于领域如雷达、导 弹、等机载设备上的激光信号探测、环境扫描隐蔽侦察等。在医学上，由于它这一性质，加上不需要高电流或外循环冷却水，可用于YL救助环境，如手术室、门诊等。

　　功率偏低：因为它体积小的缘故，功率偏低的情况下，常用来做其他激光器的泵浦光源，例如0.78到0.86波段的AlGaInP宽带多模激光阵列被用作固体激光器的光泵浦，0.98波段的InGaAs基模脊状单管发射的激光被用作掺铒光纤放大器(EDFA)和光纤激光器的泵浦光源。

　　波长范围可调节：对于光通信领域，半导体激光器有波长范围宽、增益带宽宽、可直接调制等优点，可实现红外到可见光波段任意波长的激光器、能在足够大的波长范围内选择激射波长实现带宽光放大器、可通过控制电流驱动调节振荡的强度相位和频率。这些可控因子对于光通信而言至关重要。

　　1、半导体激光器工作时，要佩戴合适的防护器具(防护服、手套、防护镜等)，避免激光直射眼睛和皮肤，并注意被照射物体的反射、散射光可能对人造成的伤害。

　　2、在使用、贮存、运输过程中要采取防静电措施。操作人员、工作台、烙铁等一定要接地良好。

　　3、必须保证半导体激光器的驱动电源在开、关、调节、工作等过程中不产生尖峰脉冲、浪涌，并能够屏蔽电网和空间电磁感应引入的浪涌。

　　4、应在额定电流、额定功率下使用，若

　　半导体激光器的应用范围十分广泛，而且由于它的体积小，结构简单，输入能量低，寿命长，易于调制和价格低等优点，使它已经成为当今光电子科学的核心技术，受到了世界各国的高度重视。

　　1、光纤通信：半导体激光器是光纤通信系统的唯yi实用化光源，光纤通信已成为当代通信技术的主流。

　　2、光盘存取：半导体激光已经用于光盘存储器，其Zda优点是存储的声音、文字和图象信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘的存储密。

　　3、光谱分析：远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析，监测大气污染、汽车尾气等。在工业上可用来监测气相淀积的工艺过程。

　　4、光信息处理：半导体激光器已经用于光信息理系统。表面发射半导体激光器二维阵列是光并行处理系统的理想光源，将用于计算机和光神经网络。

　　5、激光报警器：半导体激光报警器用途甚广，包括防盗报警、水位报警、车距报警等。

　　6、激光打印机：高功率半导体激光器已经用于激光打印机。采用蓝、绿激光能够大大提高打印速度和分辨率。

　　7、激光条码扫描器：半导体激光条码扫描器已经广泛用于商品的销售，以及图书和档案的管理。

　　8、高清晰度激光电视：不久的将来，没有阴极射线管的半导体激光电视机可以投放市场，它利用红、蓝、绿三色激光，估计其耗电量比现有的电视机低20%。

　　半导体激光器在材料加工上多用于材料的切割和电路板的加工。由于激光器的高稳定性和GX能，从而使得其可以轻易的对工业材料进行精确的切割，并且在高频电路板的加工上，低波长的紫外激光也有不错的应用。

　　1、光纤激光器和固体激光器的泵浦源

　　目前，半导体激光器的Zda应用是作为光纤激光器和固体激光器的泵浦源。作为光纤激光器泵源的半导体激光器，提高单元功率能够从根本上简化泵浦系统的结构或提高泵浦功率水平。随着光纤激光器和固体激光器输出功率越来越高，对半