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一、半導(dǎo)體激光器
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)體材料有砷化鎵、砷化銦、銻化銦、硫化鎘、碲化鎘、硒化鉛、碲化鉛、鋁鎵砷、銦磷砷等。半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注入式 、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)體來說，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0.3～34μm之間。其波長(zhǎng)范圍決定于所用材料的能帶間隙 ，常見的是AlGaAs雙異質(zhì)結(jié)激光器，其輸出波長(zhǎng)為750～890nm。
半導(dǎo)體激光器制作技術(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。半導(dǎo)體激光器較大的缺點(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。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。
二、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)注入必要的載流子來實(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—珀羅腔)半導(dǎo)體激光器可以很方便地利用晶體的與 p-n結(jié)平面相垂直的自然解理面構(gòu)成F-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)到閥值時(shí)，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?？梢娫诎雽?dǎo)體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發(fā)射和光放大過程。對(duì)于新型半導(dǎo)體激光器而言，人們目前公認(rèn)量子阱是半導(dǎo)體激光器發(fā)展的根本動(dòng)力。量子線和量子點(diǎn)能否充分利用量子效應(yīng)的課題已延至本世紀(jì)，科學(xué)家們已嘗試用自組織結(jié)構(gòu)在各種材料中制作量子點(diǎn)，而GaInN 量子點(diǎn)已用于半導(dǎo)體激光器。
三、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史
20 世紀(jì)60年代初期的半導(dǎo)體激光器是同質(zhì)結(jié)型激光器，它是在一種材料上制作的 pn 結(jié)二極管。在正向大電流注入下電子不斷地向 p區(qū)注入，空穴不斷地向n區(qū)注入。于是 ，在原來的pn結(jié)耗盡區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了載流子分布的反轉(zhuǎn)， 由于電子的遷移速度比空穴的遷移速度快， 在有源區(qū)發(fā)生輻射、復(fù)合，發(fā)射出熒光，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(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器發(fā)展的第二階段是異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器， 它是由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層 ，如GaAs， GaAlAs 所組成， 先出現(xiàn)的是單異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器(1969 年)。單異質(zhì)結(jié)注入型激光器(SHLD)GaAsP -N 結(jié)的 p 區(qū)之內(nèi) ，以此來降低閥值電流密度， 其數(shù)值比同質(zhì)結(jié)激光器降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)， 但單異質(zhì)結(jié)激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作 。
從20世紀(jì)70年代末開始，半導(dǎo)體激光器明顯向著兩個(gè)方向發(fā)展 ， 一類是以傳遞信息為目的的信息型激光器，另一類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(yīng)用的推動(dòng)下，高功率半導(dǎo)體激光器(連續(xù)輸出功率在100mw以上，脈沖輸出功率在 5W 以上，均可稱之謂高功率半導(dǎo)體激光器)。
在 20 世紀(jì)90年代取得了突破性進(jìn)展，其標(biāo)志是半導(dǎo)體激光器的輸出功率顯著增加，國外千瓦級(jí)的高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商品化，國內(nèi)樣品器件輸出已達(dá)到 600W。如果從激光波段的被擴(kuò)展的角度來看，先是紅外半導(dǎo)體激光器，接著是 670nm 紅光半導(dǎo)體激光器大量進(jìn)入應(yīng)用，接著，波長(zhǎng)為650nm、635nm的問世 ，藍(lán)綠光、藍(lán)光半導(dǎo)體激光器也相繼研制成功，10mW 量級(jí)的紫光乃至紫外光半導(dǎo)體激光器，也在加緊研制中。20世紀(jì)90年代末，面發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射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(yīng)用。980nm、850nm和780nm的器件在光學(xué)系統(tǒng)中已經(jīng)實(shí)用化。目前，垂直腔面發(fā)射激光器已用于千兆位以太網(wǎng)的高速網(wǎng)絡(luò)。
四、半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用
半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進(jìn)展較快的一類激光器 ，由于它的波長(zhǎng)范圍寬， 制作簡(jiǎn)單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小 、重量輕、壽命長(zhǎng)，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，目前已超過300種 。
1.在產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面的應(yīng)用
1）光纖通信。半導(dǎo)體激光器是光纖通信系統(tǒng)的實(shí)用化光源，光纖通信已成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。
2) 光盤存取。半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于光盤存儲(chǔ)器，其較大優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)的聲音、文字和圖象信息量很大。采用藍(lán)、綠激光能夠大大提高光盤的存儲(chǔ)密。
3) 光譜分析。遠(yuǎn)紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于環(huán)境氣體分析，監(jiān)測(cè)大氣污染、汽車尾氣等。在工業(yè)上可用來 監(jiān)測(cè)氣相淀積的工藝過程。
4) 光信息處理。半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于光信息理系統(tǒng)。表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器 二 維陣列是光并行處理系統(tǒng)的理想光源，將用于計(jì)算機(jī)和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
5) 激光微細(xì)工。借助于Q開關(guān)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的高能量超短光沖，可對(duì)集成電路進(jìn)行切 割、打孔等。
6) 激光報(bào)警器。半導(dǎo)體激光報(bào)警器用途 甚廣，包括防盜報(bào)警、水位報(bào)警、車距 報(bào)警等。
7) 激光打印機(jī)。高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于激光打印機(jī)。采用藍(lán)、綠激光 能 夠大大提高打印速度和分辨 率。
8) 激光條碼掃描器。半導(dǎo)體激光條碼掃描器已經(jīng)廣泛用于商品的銷售，以及 圖書和檔案的管理。
9) 泵浦固體激光器。這是高功率半導(dǎo)體激光器的一個(gè)重要應(yīng)用，采用它來取代原來的氛燈，可以構(gòu)成全固態(tài)激光系統(tǒng)。
10) 高清晰度激光電視。不久的將來，沒有陰極射線管的半導(dǎo)體激光電視機(jī)可以 投放市場(chǎng)，它利用紅、藍(lán)、綠三色激光，估計(jì)其耗電量比現(xiàn)有的電視機(jī)低20%。
2.在醫(yī)療和生命科學(xué)研究方面的應(yīng)用
1)激光手術(shù)治療。半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于軟組織切除，組織接合、凝固和汽化。普通外科、整形外科、皮膚科、泌尿科、婦產(chǎn)科等，均廣泛地采用了這項(xiàng)技術(shù)。
2)激光動(dòng)力學(xué)治療。將對(duì)腫瘤有親合性的光敏物質(zhì)有選擇地聚集于癌組織內(nèi)，通過半導(dǎo)體激光照射，使癌組織產(chǎn)生活性氧，旨在使其壞死而對(duì)健康組織毫無 損害。
3)生命科學(xué)研究。使用半導(dǎo)體激光的“光鑷”，可以撲捉活細(xì)胞或染色體并移至 任意位置，已經(jīng)用于促進(jìn)細(xì)胞合成，細(xì)胞相互作用等研究，還可以作為法醫(yī)取證的診斷技術(shù)。
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