半導(dǎo)體激光器的最新進展及應(yīng)用現(xiàn)狀

文/常坤

圖1：半導(dǎo)體激光器質(zhì)結(jié)分析

1　半導(dǎo)體激光器綜述

半導(dǎo)體激光器俗稱激光二極管，因為其用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的特性所以被稱為半導(dǎo)體激光器。其通過對工作物質(zhì)的激勵，從而實現(xiàn)粒子流的反轉(zhuǎn)，并且當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的時候，其中大量的電子通過與空穴進行復(fù)合，從而產(chǎn)生受激發(fā)射作用。

一般半導(dǎo)體激光器的常用工作物質(zhì)主要有GaAs、CdS、InP、ZnS等，并且根據(jù)不同的工作物質(zhì)主要有三種激勵方式：電注入，pump式和高能電子束激勵。電注入是半導(dǎo)體激光器，一般由GaAS、CdS、InP、ZnS等工作物質(zhì)作為主要材料，制成半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，在受到電注入時，沿著正向偏壓注入的電流，對工作物質(zhì)進行激勵，從而在節(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。Punp式激光器，一般由晶體中摻入受主雜的的以空穴為載流子的鍺單晶（P型半導(dǎo)體單晶）或以電子為載流子的鍺單晶（N型半導(dǎo)體單晶）作未工作物質(zhì)，并通過其他激光器發(fā)出的機關(guān)作pump激勵，從而實現(xiàn)種群反演。高能電子束激勵式半導(dǎo)體激光器，一般在工作物質(zhì)的選擇上與pump式激光器相似，也是選用半導(dǎo)體鍺單晶，但值得注意的問題是，在P型半導(dǎo)體單晶的選擇上高能電子束激勵式半導(dǎo)體激光器主要以PbS。CbS和ZnO為主。

半導(dǎo)體激光器材根據(jù)質(zhì)結(jié)的差異可以分為相同、單一和雙差異結(jié)構(gòu)幾種，其差異分布如圖1所示。

其中同質(zhì)激光器和單異質(zhì)激光器在室溫中的應(yīng)用多為脈沖期間，而雙異質(zhì)激光器則可以實現(xiàn)連續(xù)工作，因此性能更好的雙異質(zhì)激光器擁有更廣的應(yīng)用范圍，其中更是以雙異質(zhì)的電注入式GaAs二極管發(fā)光器的應(yīng)用更為廣泛。

雙異質(zhì)激光器又稱為DH激光器，有圖1可清晰觀察到，其主要為三層不同類型的工作物質(zhì)構(gòu)成。通過包裹于窄帶隙的P型半導(dǎo)體（有源層）的兩側(cè)的寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體組成的限制層，作為反射鏡從而構(gòu)成了F-P諧振腔。

2　半導(dǎo)體激光器的發(fā)展

激光二極管（LD）在材料科學(xué)以及半導(dǎo)體物理學(xué)的不斷發(fā)展下，在半導(dǎo)體激光器中采用了QW和SL-QW等全新的結(jié)構(gòu)，并通過折射率對布拉格發(fā)射器以及對布拉格發(fā)射器的增強調(diào)制的新技術(shù)，在結(jié)構(gòu)與技術(shù)個新的同時還發(fā)發(fā)展了分子束外延、金屬有機化合物化學(xué)氣相沉淀以及Chemical-Biology Engineering等全新的晶體生長技術(shù)，從而為QW和SL-QW提供優(yōu)質(zhì)的材料。伴隨著這些技術(shù)的全面發(fā)展，從而使得激光二極管，自身閾值電流有大幅度降低，并且轉(zhuǎn)換效率也不斷提高，伴隨著輸出功率的提高，也大大增加了LD的使用壽命。

就半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，近年來用于信息技術(shù)領(lǐng)域的小功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展極快。如用于光纖通信的DFB和動態(tài)單模的激光二極管以及在光盤處理中大量應(yīng)用的可見光波長的激光二極管，甚至是超短脈沖的激光二極管都得到了大幅度的革新性進步。小功率激光二極管其自身還擁有這高集成、高速率以及可調(diào)諧的發(fā)展特征。

大型高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展速度也不斷加快。在上世紀(jì)八十年代，獨立的激光二極管的輸出功率已經(jīng)在100mW以上，并達(dá)到了39%的轉(zhuǎn)化效率。等到了90年代，美國人又一次將指標(biāo)提高一個新的水平，達(dá)到了45%的轉(zhuǎn)化效率，就輸出功率來看，也從W到了KW級的轉(zhuǎn)變。高效能大功率的半導(dǎo)體激光器也迅速發(fā)展為全固化激光器，從而使得LDP固體激光器獲得了全新的發(fā)展機遇和前景。

3　LD的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1　半導(dǎo)體激光器在工業(yè)的應(yīng)用

工業(yè)設(shè)備上的激光器多用于材料的切割和電路板的加工。由于激光器的高穩(wěn)定性和高效能，從而使得其可以輕易的對工業(yè)材料進行精確的切割，并且在高頻微博電路板的加工上，低波長的紫外激光也有不錯的應(yīng)用。

3.2　半導(dǎo)體激光器在軍事的應(yīng)用

小功率的半導(dǎo)體激光器由于自身體積小，壽命長且易于調(diào)制的特點，被廣泛應(yīng)用與激光制導(dǎo)和激光測距等領(lǐng)域。簡單易行，并且取得了不錯的效果。現(xiàn)在大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，也使其與軍事領(lǐng)域大放異彩，激光雷達(dá)和激光模擬以及深海光通信，都得到了極大的發(fā)展。

4　結(jié)論

激光二極管（LD）在材料科學(xué)以及半導(dǎo)體物理學(xué)的不斷發(fā)展下，在半導(dǎo)體激光器中采用了QW和SL-QW等全新的結(jié)構(gòu)，并通過折射率對布拉格發(fā)射器以及對布拉格發(fā)射器的增強調(diào)制的新技術(shù)，在結(jié)構(gòu)與技術(shù)個新的同時還發(fā)發(fā)展了分子束外延、金屬有機化合物化學(xué)氣相沉淀以Chemical-Biology Engineering等全新的晶體生長技術(shù)，從而為QW和SL-QW提供優(yōu)質(zhì)的材料。伴隨著這些技術(shù)的全面發(fā)展，從而使得半導(dǎo)體激光器，自身的閾值電流有了大幅度降低，并且轉(zhuǎn)換效率也不斷提高，伴隨著輸出功率的提高，也大大增加了LD的使用壽命。在半導(dǎo)體激光器的不斷發(fā)展的同時，其在現(xiàn)有的應(yīng)用領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，必將擁有更為廣闊的前景。