激光技術(shù)運用越來(lái)越普及，談?wù)劙雽w激光器

激光技術(shù)最早于1960年面世，是一種因刺激產(chǎn)生輻射而強化的光。激光被廣泛應用是因為它具有單色性好、方向性強、亮度高等特性。激光技術(shù)的原理是：當光或電流的能量撞擊某些晶體或原子等易受激發(fā)的物質(zhì)，使其原子的電子達到受激發(fā)的高能量狀態(tài)，當這些電子要回復到平靜的低能量狀態(tài)時(shí)，原子就會(huì )射出光子，以放出多余的能量；而接著(zhù)，這些被放出的光子又會(huì )撞擊其它原子，激發(fā)更多的原子產(chǎn)生光子，引發(fā)一連串的“連鎖反應”，并且都朝同一個(gè)方前進(jìn)，形成強烈而且集中朝向某個(gè)方向的光。

這種光就叫做激光。激光幾乎是一種單色光波，頻率范圍極窄，又可在一個(gè)狹小的方向內集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以對各種材料進(jìn)行打孔。激光因為擁有這種特性，所以擁有廣泛的應用。

激光技術(shù)的核心是激光器，世界上第一臺激光器是1960年由T.H.梅曼等人制成的第紅寶石激光器，激光器的種類(lèi)很多，可按工作物質(zhì)、激勵方式、運轉方式、工作波長(cháng)等不同方法分類(lèi)。但各種激光器的基本工作原理均相同，產(chǎn)生激光的必不可少的條件是粒子數反轉和增益大過(guò)損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵（或抽運）源、具有亞穩態(tài)能級的工作介質(zhì)兩個(gè)部分。

半導體物理學(xué)的迅速發(fā)展及隨之而來(lái)的晶體管的發(fā)明，使科學(xué)家們早在50年代就設想發(fā)明半導體激光器。在1962年7月美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗室的兩名學(xué)者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）報告了砷化鎵材料的光****現象，通用電氣研究實(shí)驗室工程師哈爾（Hall）與其他研究人員一道研制出世界上第一臺半導體激光器。

半導體激光器是用半導體材料作為工作物質(zhì)的一類(lèi)激光器，由于物質(zhì)結構上的差異，產(chǎn)生激光的具體過(guò)程比較特殊。常用材料有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。自1962年世界上第一只半導體激光器是問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的研究，半導體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長(cháng)從紅外、紅光到藍綠光，被蓋范圍逐漸擴大，各項性能參數也有了很大的提高！半導體激光器具有體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此可廣泛應用于激光通信、印刷制版、光信息處理等方面。

半導體激光器的發(fā)展簡(jiǎn)史

世界上第一只半導體激光器是1962年問(wèn)世的，經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的研究，半導體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長(cháng)從紅外、紅光到藍綠光，被蓋范圍逐漸擴大，各項性能參數也有了很大的提高，其制作技術(shù)經(jīng)歷了由擴散法到液相外延法(LPE)，氣相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE),MOCVD方法(金屬有機化合物汽相淀積)，化學(xué)束外延(CBE)以及它們的各種結合型等多種工藝。

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)下運轉發(fā)展到宰la下連續工作。輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級(陣列器件)它具有效率高、體積小、重量輕、結構簡(jiǎn)單、能將電能直接轉換為激光能、功率轉換效率高(已達10%以上、最大可達50%)。便于直接調制、省電等優(yōu)點(diǎn)，因此應用領(lǐng)域日益擴大.目前，固定波長(cháng)半導體激光器的使用數量居所有激光器之首，某些重要的應用領(lǐng)域過(guò)去常用的其他激光器，已逐漸為半導體激光器所取代。

20世紀60年代初期的半導體激光器是同質(zhì)結型激光器，它是在一種材料上制作的pn結二極管。在正向大電流注入下，電子不斷地向P區注入，空穴不斷地向1"1區注入。于是，在原來(lái)的pn結耗盡區內實(shí)現了載流子分布的反轉，由于電子的遷移速度比空穴的遷移速度快，在有源區發(fā)生輻射、復合，****出熒光，在一定的條件下發(fā)生激光。這是一種只能以脈沖形式工作的半導體激光器。

半導體激光器發(fā)展的第二階段是異質(zhì)結構半導體激光器，它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層。如GaAs。GaAIAs所組成，最先出現的是單異質(zhì)結構激光器(1969年)。單異質(zhì)結注入型激光器(SHLD)是利用異質(zhì)結提供的勢壘把注入電子限制在GaAsP—N結的P區之內，以此來(lái)降低閥值電流密度，其數值比同質(zhì)結激光器降低了一個(gè)數量級，但單異質(zhì)結激光器仍不能在室溫下連續工作。

1970年，實(shí)現了激光波長(cháng)為9000A，室溫連續工作的雙異質(zhì)結caAs—GaAIAs(砷化鎵一鎵鋁砷)激光器。雙異質(zhì)結激光器(DHL)的誕生使可用波段不斷拓寬，線(xiàn)寬和調諧性能逐步提高，其結構的特點(diǎn)是在P型和n型材料之間生長(cháng)了僅有0。2tt。m厚的，不摻雜的，具有較窄能隙材料的一個(gè)薄層，因此注A。00載流子被限制在該區域內(有源區)，因而注人較少的電流就可以實(shí)現載流子數的反轉。在半導體激光器件中。目前比較成熟、性能較好、應用較廣的是具有雙異質(zhì)結構的電注入式GaAs二極管激光器。

隨著(zhù)異質(zhì)結激光器的研究發(fā)展，加之由于MBE、MOCVD技術(shù)的成就，于是，在1978年出現了世界上第一只半導體量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半導體激光器的各種性能。后來(lái)，又由于MOCVD、MBE生長(cháng)技術(shù)的成熟，能生長(cháng)出高質(zhì)量超精細薄層材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半導體激光器與雙異質(zhì)結(DH)激光器相比，具有閾值電流低、輸出功率高，頻率響應好，光譜線(xiàn)窄和溫度穩定性好和較高的電光轉換效率等許多優(yōu)點(diǎn)。

從20世紀70年代末開(kāi)始，半導體激光器明顯向著(zhù)兩個(gè)方向發(fā)展，一類(lèi)是以傳遞信息為目的的信息型激光器。另一類(lèi)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用的推動(dòng)下，高功率半導體激光器(連續輸出功率在100mw以上，脈沖輸出功率在5W以上，均可稱(chēng)之謂高功率半導體激光器)在20世紀90年代取得了突破性進(jìn)展，其標志是半導體激光器的輸出功率顯著(zhù)增加。

20世紀90年代出現的面****激光器(SEL)是一種在室溫下可達到亞毫安的網(wǎng)電流8mW的輸出功率和11%的轉換效率的半導體激光器。20世紀90年代末，面****激光器和垂直腔面****激光器得到了迅速的發(fā)展，且已考慮了在超并行光電子學(xué)中的多種應用。980nm,850nm和780nm的器件在光學(xué)系統中已實(shí)現了實(shí)用化。

為了滿(mǎn)足21世紀信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量化以及軍用裝備的小型、高精度化等需要，半導體激光器在高速寬帶LD、大功率ID，短波長(cháng)LD，盆子線(xiàn)和量子點(diǎn)激光器、中紅外LD等方面取得了一系列引人矚目的成果。

半導體激光器的工作原理

半導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)內載流子的反轉分布，在半導體中代表電子能量的是由一系列接近于連續的能級所組成的能帶，因此在半導體中要實(shí)現粒子數反轉，必須在兩個(gè)能帶區域之間，處在高能態(tài)導帶底的電子數比處在低能態(tài)價(jià)帶頂的空穴數大很多，這靠給同質(zhì)結或異質(zhì)結加正向偏壓，向有源層內注人必要的載流子來(lái)實(shí)現。將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導帶中去。當處于粒子數反轉狀態(tài)的大量電子與空穴復合時(shí)，便產(chǎn)生受激****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)諧振腔內得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導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F—p腔(法布里一珀羅腔)半導體激光器可以很方便地利用晶體的與P—n結平面相垂直的自然解理面一[110]面構成F—P腔。

3、為了形成穩定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內的光場(chǎng)。這就必須要有足夠強的電流注入，即有足夠的粒子數反轉，粒子數反轉程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿(mǎn)足一定的電流閥值條件。當激光器達到閥值時(shí)，具有特定波長(cháng)的光就能在腔內諧振并被放大，最后形成激光而連續地輸出。

可見(jiàn)在半導體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光****和光放大過(guò)程。對于新型半導體激光器而言，人們目前公認量子阱是半導體激光器發(fā)展的根本動(dòng)力。量子線(xiàn)和量子點(diǎn)能否充分利用量子效應的課題已延至本世紀，科學(xué)家們已嘗試用自組織結構在各種材料中制作量子點(diǎn)，而GaInN量子點(diǎn)已用于半導體激光器。另外，科學(xué)家也已經(jīng)做出了另一類(lèi)受激輻射過(guò)程的量子級聯(lián)激光器，這種受激輻射基于從半導體導帶的一個(gè)次能級到同一能帶更低一級狀態(tài)的躍遷，由于只有導帶中的電子參與這種過(guò)程，因此它是單極性器件。

半導體激光器的工作特性

1  閾值電流

當注入p-n結的電流較低時(shí)，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達閾值電流時(shí)，p-n結產(chǎn)生激光。

影響閾值的幾個(gè)因素：

（1）晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。

（2）諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。

（3）與半導體材料結型有關(guān)，異質(zhì)結閾值電流比同質(zhì)結低得多。目前，室溫下同質(zhì)結的閾值電流大于30000A/cm2；單異質(zhì)結約為8000A/cm2；雙異質(zhì)結約為1600A/cm2?，F在已用雙異質(zhì)結制成在室溫下能連續輸出幾十毫瓦的半導體激光器。

（4）溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的三次方增加。因此，半導體激光器最好在低溫和室溫下工作。

2、方向性

由于半導體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結的垂直平面內，發(fā)散角最大，可達20°-30°；在結的水平面內約為10°左右。

3、效率

量子效率  η＝每秒****的光子數／每秒到達結區的電子空穴對數

77K時(shí)，GaAs激光器量子效率達70％－80％；300K時(shí)，降到30％左右。

功率效率η1＝輻射的光功率／加在激光器上的電功率

由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結器件，室溫時(shí)的η1最高10％，只有在低溫下才能達到30％－40％。

4、光譜特性

由于半導體材料的特殊電子結構，受激復合輻射發(fā)生在能帶（導帶與價(jià)帶）之間，所以激光線(xiàn)寬較寬，GaAs激光器，室溫下譜線(xiàn)寬度約為幾納米，可見(jiàn)其單色性較差。輸出激光的峰值波長(cháng)：77K時(shí)為840nm；300K時(shí)為902nm。

異質(zhì)結激光器的工作過(guò)程

半導體激光器的結構多種多樣，基本結構是圖示出的雙異質(zhì)結(DH)平面條形結構。

這種結構由三層不同類(lèi)型半導體材料構成，不同材料****不同的光波長(cháng)。圖中標出所用材料和近似尺寸。結構中間有一層厚0.1~0.3 μm的窄帶隙P型半導體，稱(chēng)為有源層；兩側分別為寬帶隙的P型和N型半導體，稱(chēng)為限制層。三層半導體置于基片(襯底)上，前后兩個(gè)晶體解理面作為反射鏡構成法布里 - 珀羅(FP)諧振腔。

雙異質(zhì)結（DH）平面條形激光器的基本結構

由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后， P層的空穴和N層的電子注入有源層。P層帶隙寬，導帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴散到P層。同理， 注入到有源層的空穴也不可能擴散到N層。這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1~0.3 μm的有源層內形成粒子數反轉分布，這時(shí)只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。

另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區內，因而電/光轉換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續工作。 

(a) 雙異質(zhì)結構；(b) 能帶；(c) 折射率分布；(d) 光功率分布

半導體激光器的應用

在激光光譜學(xué)中的應用

激光光譜是以激光為光源的光譜技術(shù)，主要用于分子光譜、等離子物理、高階諧波產(chǎn)生的科學(xué)應用及大氣污染的監測和癌癥的診斷等。而選用半導體激光器作為激光光譜學(xué)的光源中有較多優(yōu)勢，它體積小，輸入能量低，壽命長(cháng)，可協(xié)調性強且價(jià)格低廉。例如圖即為“SPECDILASV—763—OXY"VCSEL所探測的氧氣的吸收光譜(半導體激光器的工作溫度為T(mén)op=10℃,Iset=4.6mA,加32Hz,10.6mV的鋸齒波,256次平均)?？梢钥闯?通過(guò)改變工作電流很容易地得到氧氣的兩個(gè)吸收峰,無(wú)模式跳躍。

用760nmVCSEL激光器測得的氧氣吸收光譜

在光固化成型技術(shù)中的應用

光固化成型法（Stereo lithography Appearance，簡(jiǎn)稱(chēng)SLA）是最早出現的快速原型制造工藝，由于它成型過(guò)程自動(dòng)化程度高、制作原型表面質(zhì)量好、尺寸精度較高且能夠實(shí)現比較精細的尺寸成型，在單件小批量精密鑄造、概念設計的交流、產(chǎn)品模型、快速工模具及直接面向產(chǎn)品的模具等諸多方面廣泛應用于航空、汽車(chē)、電器、消費品以及醫療等行業(yè)得到了廣泛應用。其成型原理如圖2所示,用特定波長(cháng)與強度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由點(diǎn)到線(xiàn),由線(xiàn)到面順序凝固,完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè),然后升降臺在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度,再固化另一個(gè)層面.這樣層層疊加直至構成一個(gè)三維實(shí)體。

而紫外半導體激光器技術(shù)的發(fā)展，為SLA提供了最好的光源，在電光效率、成本、體積、壽命和可靠性等指標上堪稱(chēng)最優(yōu)，在光譜、譜線(xiàn)寬度、功率等性能方面也完全符合其工藝要求，因此現在進(jìn)行這種新型光源的研究已成為現實(shí)。

在軍事領(lǐng)域的應用

伴隨激光技術(shù)的日趨成熟，半導體激光器的應用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，它在軍事領(lǐng)域也得到了廣泛應用，成為我國國防事業(yè)不可或缺的中堅力量。如半導體激光雷達，主要是波長(cháng)820~850 nm 的LD 及列陣。新型半導體激光雷達與被動(dòng)探測（紅外系統）相結合，具有多種成像功能，包括強度成像、距離成像和速度成像等，具有先進(jìn)的實(shí)時(shí)圖像處理功能，包括各種成像的綜合、圖像跟蹤和目標的自動(dòng)識別等。

此外，半導體激光器也在激光測距、激光模擬武器、激光警戒、激光制導跟蹤、引燃引爆等方面獲得了廣泛的應用。

在醫療上的應用

半導體激光器體積小、成本低、壽命長(cháng)、波長(cháng)可選擇、輸出功率穩定等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于醫療設備，其臨床應用幾乎覆蓋了所有其他類(lèi)型的激光器的應用范圍。如低功率810nm近紅外半導體激光器，由于該波長(cháng)的激光穿透能力強，屈光間質(zhì)對它吸收最少，光斑直徑可調范圍大 ,是眼科中最常用的熱源，可用于治療青光眼、硅油注入術(shù)后難治性高眼壓以及視網(wǎng)膜的光凝和固定等；810nm半導體激光起能夠很好被毛囊內黑色素吸收，產(chǎn)生熱效應，破壞毛囊，完成脫毛的效果；大功率半導體激光器也廣泛應用于腫瘤的激光切割、凝固手術(shù)。這些都為人類(lèi)的健康進(jìn)一步提供了保障。

在通信領(lǐng)域的應用

半導體激光器在信息的獲取，傳輸，存儲和處理以及顯示中也得到廣泛應用。21世紀，隨著(zhù)光纖通信的發(fā)展，半導體激光器光作為光纖通信系統中的光源，是關(guān)鍵元件,是整個(gè)系統的核心部分,短距離的光纖通信采用單模光纖和130~150nm波長(cháng)的半導體激光器,空間通信用列陣半導體激光器。全球光纖通信市場(chǎng)前景廣闊,因此,半導體激光器的市場(chǎng)前景也是非常好的。

在激光打印及印刷市場(chǎng)中的應用

激光打印機脫胎于80年代末的激光照排技術(shù)，流行于90年代中期。它是將激光掃描技術(shù)和電子照相技術(shù)相結合的打印輸出設備。較其他打印設備，激光打印機有打印速度快、成像質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。10-100nm的高功率半導體激光器主要用于高速激光打印機。一般為網(wǎng)絡(luò )化辦公打印機,包括新出現的彩色激光打印機(打印速度為12-35p/min)。用激光把資料直接寫(xiě)在印刷板上正成為印刷技術(shù)工業(yè)的一種發(fā)展趨勢,不僅節省很多中間環(huán)節、降低成本,而且加快了速度，因此此種應用預計會(huì )穩定增長(cháng)，如采用1W二極管激光器64元陣列、用光纖藕合配以透鏡系統。目前多數激光、計算機、印刷系統采用鹵素銀或光敏有機物的光敏材料。杜邦公司、柯達公司等均在致力于開(kāi)發(fā)此類(lèi)熱敏材料,采用半導體激光器日益增多,此項應用市場(chǎng)也呈蓬勃發(fā)展。