半導體激光器的歷史狀況及應用

石飛飛

北京林業大學理學院，北京 100083

0 引言

激光器的結構從同質結發展成單異質結、雙異質結、量子阱(單、多量子阱) 等多種形式，制作方法從擴散法發展到液相外延(LPE)、氣相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金屬有機化合物氣相淀積(MOCVD)、化學束外延(CBE)以及它們的各種結合型等多種工藝[5]。半導體激光器的應用范圍十分廣泛，而且由于它的體積小，結構簡單，輸入能量低，壽命長，易于調制和價格低等優點，使它已經成為當今光電子科學的核心技術，受到了世界各國的高度重視。

1 半導體激光器的歷史

半導體激光器又稱激光二極管(LD)。隨著半導體物理的發展，人們早在20世紀50年代就設想發明半導體激光器。

20世紀60年代初期的半導體激光器是同質結型激光器，是一種只能以脈沖形式工作的半導體激光器。在1962年7月召開的固體器件研究國際會議上，美國麻省理工學院林肯實驗室的兩名學者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）報告了砷化鎵材料的光發射現象。

半導體激光器發展的第二階段是異質結構半導體激光器，它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層，如GaAs，GaAlAs所組成的激光器。單異質結注人型激光器(SHLD)，它是利用異質結提供的勢壘把注入電子限制在GaAsP一N結的P區之內，以此來降低閥值電流密度的激光器。

1970年，人們又發明了激光波長為9000?在室溫下連續工作的雙異質結GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼鋁砷)激光器.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結構的電注人式GaAs二極管激光器.

從20世紀70年代末開始，半導體激光器明顯向著兩個方向發展，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用的推動下，高功率半導體激光器(連續輸出功率在100W以上，脈沖輸出功率在5W以上，均可稱之謂高功率半導體激光器)在20世紀90年代取得了突破性進展，其標志是半導體激光器的輸出功率顯著增加，國外千瓦級的高功率半導體激光器已經商品化，國內樣品器件輸出已達到600W。另外，還有高功率無鋁激光器、紅外半導體激光器和量子級聯激光器等等。其中，可調諧半導體激光器是通過外加的電場、磁場、溫度、壓力、摻雜盆等改變激光的波長，可以很方便地對輸出光束進行調制。

20世紀90年代末，面發射激光器和垂直腔面發射激光器得到了迅速的發展。

目前，垂直腔面發射激光器已用于千兆位以太網的高速網絡，為了滿足21世紀信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量以及軍用裝備小型、高精度化等需要，半導體激光器的發展趨勢主要是向高速寬帶LD、大功率LD，短波長LD，盆子線和量子點激光器、中紅外LD等方面發展。

2 半導體激光器的應用

半導體激光器是成熟較早、進展較快的一類激光器。目前，已經廣泛應用于通訊、測距、精密儀器加工，光集成的信息存儲和信息處理等。

在光纖通訊中，半導體激光器是光纖通訊系統的唯一實用化的光源，而且光纖通訊已經成為當代通訊的主流。到如今，它是當前光通信領域中發展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源。

在激光測距中，激光測距儀重量輕、體積小、操作簡單速度快而準確，其誤差僅為其它光學測距儀的1/5到數百分之一，因而被廣泛用于地形測量，戰場測量，坦克，飛機，艦艇和火炮對目標的測距，測量云層、飛機、導彈以及人造衛星的高度等。

在精密儀器加工中，借助Q開關半導體激光器產生的高能量超短光脈沖，可以對集成電路進行切割、打孔等。

在光集成的信息存儲應用中，人們采用短激光波長讀出光盤的內容，采用藍、綠激光來提高光盤的存儲密度。

在信息處理應用中，表面發射半導體激光器二維陣列是光并行處理系統的理想光源，且用于光計算機和神經網絡中。

此外，半導體激光器還運用在環境檢測和醫療中。在環境檢測中，通過分析光譜來分析環境氣體，從而監測大氣污染、汽車尾氣等。在醫療方面，半導體激光除了用于軟組織切除，組織接合，凝固和汽化等外，還用于激光動力學治療，將與腫瘤有親和性的光敏物質有選擇地聚集在癌組織內，通過半導體激光的照射，使癌組織壞死，而對健康組織毫無損害。

3 結論

半導體激光器的波長范圍寬，制作簡單、成本低、易于大量生產，并且體積小、重量輕、壽命長。因此，品種發展快，運用十分廣泛。雖然我國半導體激光器的研制和生產技術有了一定的基礎，但要與國際上迅速發展的趨勢相比，我國還有一些差距，這需要我們刻苦專研，努力創新。

參考資料

[1]張興,等.微電子學概論[M].北京：北京大學出版社，2000，1.

[2]劉樹林,張華曹,柴常春[M].北京：電子工業出版社，2005，2.

[3]付燕軍,鄒文棟,肖慧榮，甘月紅.半導體激光器驅動電路的光功率控制的研究[J].紅外與激光工程，2005，34（5）.

[4]周崇喜,劉銀輝，謝偉民，杜春雷.大功率半導體激光器陣列光束光纖耦合研究[J].中國激光，2004，31（11）.

[5]王德，李學千.半導體激光器的最新進展及其應用[J].光學精密工程，2001，9（3）.