一文了解半导体激光器的定义/工作原理/优点/缺点/应用

激光是科幻小说中的东西：一个又大又重的盒子可以产生炽热的光。如果你在实验室里见过普通的激光束，你就会知道这是一个相当笨重的东西：它通常和你的前臂一样长，相当重，相当热，可以产生非常强的光束。但是如果激光有那么大，我们怎么能把它用在像便携式CD播放器和手持条形码扫描仪这样的小东西上呢？答案是我们没有！这些东西使用的是一种非常不同的激光，与普通LED大小相同(工作方式类似)。半导体激光器(也叫二极管激光器或注入式激光器)是由罗伯特N霍尔在20世纪60年代初研制出来的，主要是因为它体积小，价格低，现在是世界上应用最广泛的激光器。

最近几天你可能用过半导体激光器，但你不知道这是半导体激光器。如果您看过DVD，您可以“浏览”该DVD。如果你去过杂货店，并且有条形码商品已经通过你随身购买的票据刷过；如果你通过光缆打过长途电话，那么你已经“谈过了”；如果你用激光打印机打印，你的打印输出非常接近。半导体激光器可以发射强大而精确的光束(就像普通的激光器一样)，但其大小与简单的led(电子仪表盘上看到的小彩灯)相同。

如果你读过关于二极管的文章，你就会知道led是如何工作的。本质上，LED是一个半导体三明治，它的面包由两种不同类型的加工硅片制成，这两种硅片被称为P型(富含“空穴”，换言之，略缺乏电子，内部有微小的负电荷粒子)和N型(电子略多)。把两片放在一起，就可以制造出具有各种有趣特性的所谓pn结二极管。

在普通二极管中，pn结的工作方式类似于旋转栅极，只允许电流单向流动(称为正向偏置操作)。当电子流过势垒时，它们与另一侧的空穴结合，并以声子(声音振动)的形式发出能量，这些能量在硅晶体中消失。在LED中，过程几乎相同，但能量不是由声子发出的，而是由光子-可见光包发出的。

图：这张照片左下方的小圆圈是CD播放器中的半导体激光二极管。右上角较大的蓝色圆圈是镜头，可以读取光盘反射的反射光。不要试图在CD机中观看激光：这很容易愚弄你自己。

半导体激光器

定义：

这是一个特制的pn结二极管。当二极管正向偏置时，它会发出激光。

原则：

当pn结二极管正向偏置时，来自n-区的电子和来自p-区的空穴穿过结并彼此复合。

在复合过程中，一些特定的直接带隙半导体(如Ga-As)会释放出光辐射(光子)。这种光辐射称为复合辐射。

复合过程中发射的光子会刺激其他电子和空穴复合。结果，产生激光的受激发射发生。

建筑：

活性介质是砷化镓单晶制成的pn结二极管。将晶体切成厚度为0.5 m的圆盘.

血小板由具有电子传导性(N型)和空穴传导性(P型)两部分组成。

在非常薄的PN结层(大约几微米)中激发光子发射。通过固定在上表面的电极向晶体施加电压。

结型二极管的端面抛光良好，并且相互平行。它们充当光学谐振器，并且发射的光通过光学谐振器发射。

处理：

当PN结被施加的大电压正向偏置时，电子和空穴将以相当高的浓度注入结区。

结周围的区域包含导带中的大量电子和价带中的大量空穴。

如果人口密度高，就可以实现人口反转的条件。电子和空穴相互复合，这种复合产生光形式的辐射。

当正向偏压增加时，会发射出越来越多的光子，光的产生会立刻变强。这些光子将触发受激复合链，导致光子的同相释放。

在结合面上移动的光子通过平行且相对的两侧之间的反射来回传播，并增强其强度。

在获得足够的强度后，它发出波长为8400埃的激光束。激光的波长为

其中，E是以焦耳为单位的带隙能量。

特点：

1.类型：固态半导体激光器。

2.活性介质：采用砷化镓单晶制成的PN结二极管作为活性介质。

3.抽水模式：直接转换模式用于抽水。

4.功率输出：激光器的功率输出为1mW。

5.输出的性质：输出的性质是连续波或脉冲输出。

6.输出波长：GaAs激光器发出的红外辐射波长为8300至8500埃.

优势：

1.尺寸很小。布局简单紧凑。

2.效率高。

3.通过控制结电流可以很容易地增加激光输出。

4.与红宝石和CO 2激光器相比，其功率较低。

它几乎不需要任何辅助设备。

6.它可以有连续波输出或脉冲输出。

缺点：

1.很难控制激光器的模式图案和模式结构。

2.输出通常为5至15度，即激光束发散较大。

3.纯度和单色性强于其他类型的激光器。

4.阈值电流密度很大(400A/mm 2)。

5.一致性和稳定性差。

应用：

1.广泛应用于光纤通信。

2.用于伤口的红外线治疗。

它也被用作止痛剂。

4.用于读写激光打印机和光盘。

半导体激光器是如何发光的？

在激光二极管方面，我们采取了进一步措施，使发射的光更纯净、更强大。我们不使用硅作为半导体，而是使用不同的材料，特别是铝和砷化镓的合金(铟镓砷磷化物是另一种流行的选择)。电子被注入到二极管中，它们与空穴结合，它们的一些多余能量被转换成光子，光子与更多的入射电子相互作用，帮助产生更多的光子，等等。这个自持的过程叫做共振。这种输入电子到输出光子的重复转换类似于传统基于气体的激光器中发生的受激发射过程。

艺术品：激光二极管的基本设置。当电子和光子在以类似于传统结型二极管或LED的方式排列的pn结中相互作用时，产生激光。二极管的一端是抛光的，所以激光可以从二极管发出。另一端是粗糙的，以帮助限制光线。

在传统激光器中，通过在两个镜子之间重复“泵浦”原子发射的光来产生集中光束。在激光二极管中，当光子在P型和N型半导体芯片之间的微观结(约1微米宽)中来回反弹时，会发生等效的过程，技术上称为法布里-珀罗谐振腔(一种干涉仪)。最后，放大的激光以平行于结的光束从间隙的抛光端发射。从那里，它可以继续从光盘上读取音乐，扫描玉米片的价格，打印大学论文或做一千多种其他事情！

堆叠激光二极管

早期的激光二极管只能发出单一的相对较弱的光束，但是聪明的电子工程师很快就找到了一种方法使它们更强大。自20世纪90年代以来，一种常见的方法是将多个激光二极管堆叠在彼此的顶部(如公寓楼)，然后使用准直器和/或透镜将其单束聚焦成单个输出光束。这种布置被不同地称为半导体激光器叠层、叠层激光二极管或简称为二极管叠层。除了产生比单个激光二极管更多的功率之外，堆还提供了同时产生多个不同波长的可能性(因为堆中的每个激光器可以产生不同的波长)。不是单个P-N结，而是多个结，并且从它们之间的有源层发射激光束。通常，在堆叠层之间也有至少一个隧道结。一对端子(有时称为欧姆接触)为整个电池组供电。

艺术品：一个简单的堆叠激光二极管，包括两个二极管激光器，一个在另一个的顶部，由铝镓砷化镓掺杂层制成。端子(欧姆接触)的顶部和底部显示为灰色，衬底(基底材料)显示为绿色，P型层显示为蓝色，N型层显示为红色。隧道接口标有J2。美国专利商标局提供的图稿来自美国专利号5，212，706:1993年5月18日，康涅狄格大学的Faquir C. Jain提出了一种具有隧道结并提供多光束的激光二极管模块。

1.半导体激光器的光发射

半导体激光器(LD)是一种通过向半导体注入电流来引起激光振荡的器件。发光的机理与发光二极管(LED)相同。光是由流向pn结的正向电流产生的。在正向偏置操作中，P型层与正电极连接，N型层与负电极连接，电子从N型层进入，空穴从P型层进入。当它们在接合处相遇时，一个电子落入空穴并发光。

2.半导体激光器的基本结构

半导体激光器的基本结构。有源层(发光层)夹在P型和N型复合层(双异质结构)之间，并形成在N型衬底上，从电极向p-n结施加电压。有源层的两侧都有反射镜。当施加直流电压时，电子在p-n结与空穴结合并影响光。这种光不是激光；因为包覆层的折射率低于活性层的折射率，所以它被限制在活性层中。另外，有源层的两端起到了镜子的作用，光在有源层中往复运动。然后，光被激发发射过程放大，导致激光振荡。

3.半导体激光器的类型

半导体激光器的中心波长主要取决于有源层半导体的带隙能量。然而，在带隙能量相同的情况下，不同类型的LD产生的激光光谱细节是不同的。

法布里-珀罗半导体激光器

这种激光器具有最简单的结构，并且可以用于许多应用，包括cd、dvd和BD的光学拾取。激光打印机；和光纤激光器的激发。其特点是利用激光晶体的解理面反射有源层发出的光，如图1所示。晶体的解理面极其光滑，可以当镜子用。由于法布里-珀罗-LD没有选择特定振荡波长的机制，因此在增益带宽范围内出现多激光振荡。在光纤传输中，多波长振荡会导致脉冲展宽，因此不能应用于长距离通信。

(2) DFB半导体激光器

DFB激光器(分布式反馈激光器)在活性层下面或上面有一个光栅，它以光栅的布拉格波长决定的单一波长振荡。图3展示了结构轮廓。它具有光谱宽度窄、噪声低的优点，可用作长距离光通信中的光信号源。

(3) FBG波长稳定半导体激光器

DFB激光器具有优良的单波长振荡性能，但制造困难且价格昂贵。用光纤光栅稳定单波长激光二极管是更经济的单波长振荡激光器。在这种情况下，激光腔由有源层的HR涂层端面和具有低反射率的光纤光栅组成。只画了核心。活性层的另一端和光纤的入射端都涂有AR以防止反射光。此外，光纤的入射端被加工成透镜结构以收集光。因为在纤芯中形成的光纤光栅只反射特定的波长，所以会出现单波长振荡。

半导体激光器的应用实例

半导体激光器通过利用包括直度、小发射点尺寸(几微米)、单色性、高光密度和相干性在内的特性而用于各种应用中。

最近，半导体激光器已经应用于运动传感、HDD热辅助磁记录和照明(投影仪和头灯)。