半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管(LD)。,在1962年被成功激發(fā),在1970年實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)輸出。后來(lái)經(jīng)過(guò)改良,開(kāi)發(fā)出雙異質(zhì)接合型激光及條紋型構(gòu)造的激光二極管(Laser diode)等,廣泛使用于光纖通信、光盤(pán)、激光打印機(jī)、激光掃描器、激光指示器(激光筆),半導(dǎo)體激光是目前生產(chǎn)量最大的激光器。
半導(dǎo)體是常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體在收音機(jī)、電視機(jī)以及測(cè)溫上有著廣泛的應(yīng)用。如二極管就是采用半導(dǎo)體制作的器件。半導(dǎo)體是指一種導(dǎo)電性可受控制,范圍可從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料。無(wú)論從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來(lái)看,半導(dǎo)體的重要性都是非常巨大的。今日大部分的電子產(chǎn)品,如計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話或是數(shù)字錄音機(jī)當(dāng)中的核心單元都和半導(dǎo)體有著極為密切的關(guān)連。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等,而硅更是各種半導(dǎo)體材料中,在商業(yè)應(yīng)用上最具有影響力的一種。
根據(jù)固體的能帶理論,半導(dǎo)體材料中電子的能級(jí)形成能帶。高能量的為導(dǎo)帶,低能量的為價(jià)帶,兩帶被禁帶分開(kāi)。引入半導(dǎo)體的非平衡電子-空穴對(duì)復(fù)合時(shí),把釋放的能量以發(fā)光形式輻射出去,這就是載流子的復(fù)合發(fā)光。
一般所用的半導(dǎo)體材料有兩大類,直接帶隙材料和間接帶隙材料,其中直接帶隙半導(dǎo)體材料如GaAs(砷化鎵)比間接帶隙半導(dǎo)體材料如Si有高得多的輻射躍遷幾率,發(fā)光效率也高得多。
半導(dǎo)體復(fù)合發(fā)光達(dá)到受激發(fā)射(即產(chǎn)生激光)的必要條件是:①粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布分別從P型側(cè)和n型側(cè)注入到有源區(qū)的載流子密度十分高時(shí),占據(jù)導(dǎo)帶電子態(tài)的電子數(shù)超過(guò)占據(jù)價(jià)帶電子態(tài)的電子數(shù),就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。②光的諧振腔在半導(dǎo)體激光器中,諧振腔由其兩端的鏡面組成,稱為法布里一珀羅腔。③高增益用以補(bǔ)償光損耗。諧振腔的光損耗主要是從反射面向外發(fā)射的損耗和介質(zhì)的光吸收。
半導(dǎo)體激光器是依靠注入載流子工作的,發(fā)射激光必須具備三個(gè)基本條件:
(1)要產(chǎn)生足夠的 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒子數(shù);
(2)有一個(gè)合適的諧振腔能夠起到反饋?zhàn)饔?,使受激輻射光子增生,從而產(chǎn)生激光震蕩;
(3)要滿足一定的閥值條件,以使光子增益等于或大于光子的損耗。
半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵(lì)方式,利用半導(dǎo)體物質(zhì)(即利用電子)在能帶間躍遷發(fā)光,用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡,組成諧振腔,使光振蕩、反饋,產(chǎn)生光的輻射放大,輸出激光。
半導(dǎo)體激光器優(yōu)點(diǎn):體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等。
半導(dǎo)體激光器在基本構(gòu)造上,它屬于半導(dǎo)體的P-N接面,但激光二極管是以金屬包層從兩邊夾住發(fā)光層(有源層),是“雙異質(zhì)結(jié)接合構(gòu)造”。而且在激光二極管中,將界面作為發(fā)射鏡(諧振腔)使用。在使用材料方面,有鎵(Ga)、砷(As)、銦(In)、磷(P)等。此外在多量子阱型中,也使用Ga·Al·As等。
由于具有條狀結(jié)構(gòu),即使是微小電流也會(huì)增加活性區(qū)域的電子數(shù)反轉(zhuǎn)密度,優(yōu)點(diǎn)是激發(fā)容易呈現(xiàn)單一形式,而且,其壽命可達(dá)10~100萬(wàn)小時(shí)。
(1)異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器
(2)條形結(jié)構(gòu)激光器
(3)GaAIAs/GaAs激光器
(4)InGaAsP/InP激光器
(5)可見(jiàn)光激光器
(6)遠(yuǎn)紅外激光器
(7)動(dòng)態(tài)單模激光器
(8)分布反饋激光器
(9)量子阱激光器
(10)表面發(fā)射激光器
(11)微腔激光器
近幾十年來(lái),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100W 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(guó)外千瓦級(jí)的高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商品化,國(guó)內(nèi)樣品器件輸出已達(dá)到600W[61.如果從激光波段的被擴(kuò)展的角度來(lái)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(wèn)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。
為適應(yīng)各種應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體激光器還有可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器,電子束激勵(lì)半導(dǎo)體激光器以及作為“集成光路”的最好光源的分布反饋激光器(DFB一LD),分布布喇格反射式激光器(DBR一LD)和集成雙波導(dǎo)激光器。
另外,還有高功率無(wú)鋁激光器(從半導(dǎo)體激光器中除去鋁,以獲得更高輸出功率,更長(zhǎng)壽命和更低造價(jià)的管子)、中紅外半導(dǎo)體激光器和量子級(jí)聯(lián)激光器等等。其中,可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器是通過(guò)外加的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、壓力、摻雜盆等改變激光的波長(zhǎng),可以很方便地對(duì)輸出光束進(jìn)行調(diào)制.
分布反饋(DF)式半導(dǎo)體激光器是伴隨光纖通信和集成光學(xué)回路的發(fā)展而出現(xiàn)的,它于1991年研制成功,分布反饋式半導(dǎo)體激光器完全實(shí)現(xiàn)了單縱模運(yùn)作,在相干技術(shù)領(lǐng)域中又開(kāi)辟了巨大的應(yīng)用前景它是一種無(wú)腔行波激光器,激光振蕩是由周期結(jié)構(gòu)(或衍射光柵)形成光藕合提供的,不再由解理面構(gòu)成的諧振腔來(lái)提供反饋,優(yōu)點(diǎn)是易于獲得單模單頻輸出,容易與纖維光纜、調(diào)制器等耦合,特別適宜作集成光路的光源。