半導體激光器原理及其應用

李宏棋

（漢口學院 航空與智能制造學院，湖北 武漢 430212）

1 半導體激光器結構原理

半導體激光器也稱為激光二極管（Laser Diode，LD）。由于半導體激光器可產生波長及相位等性質完全一樣的光，相干性高是其最大特點。利用注入電流產生的光在兩片鏡片之間往返放大，直至激光振蕩，簡單的說，激光二極管也可以說成是一個通過反射鏡將光放大的發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）。量子式和阱電式激光二極管的輸入閾值電流相對較低，輸出激光功率相對較高，是國內市場上主流的激光產品之一。與其他激光器件相比，激光二極管有效率高、體積小和使用壽命長等諸多優(yōu)點，但其輸出功率較小，不能同時進行多路的頻道信號傳輸和接收高性能的視頻模擬信號。在雙向式光發(fā)射接收機上的回傳信號模塊中，上行信號通常需要采用激光二級管作為發(fā)射光源。

自發(fā)輻射是半導體激光器中的一種發(fā)光現象。導致產生這種現象的原因是LD中PN節(jié)結構。此時PN節(jié)兩側的空穴電子自發(fā)地進行了復合。新的輻射光子的產生來自于自發(fā)輻射時，此時電子（被自發(fā)輻射而來）產生了中性光子，一個半導體直接被它穿過，當被刺激所發(fā)射的中性之電子被射在空穴附近時，兩者被激勵因而重新復合。由此，新輻射光子就隨之發(fā)出。并且，未受激發(fā)之輻射載流子會重新結合，因為它們都被之前的光子復合所誘導，這種新的光子被人們稱為尚未受激發(fā)的輻射。

半導體激光二極管應用法布里珀羅諧振腔，由于PN結面與之垂直，所以它有特別的用途和屬性。該諧振腔由半導體晶體的解理面組成，由于載流子會發(fā)生復合，因此半導體中的光才能正常發(fā)射出來。正向電壓加于PN結附近將迫使電子移動，電子從N區(qū)經過PN結移動到P區(qū)。這個時候空穴相反，它會從P區(qū)經過PN結，進入N區(qū)。此時PN結附近會出現一種現象，那就是注入在其附近的非平衡電子，它會與注入其附近的空穴復合。此時會有光子發(fā)出，其波長為λ，此時發(fā)生的現象可以用下面的公式描述為

式中：h為普朗克常量；C為光速；Eg為半導體禁帶能級寬度。

上述現象稱為自發(fā)輻射，它指的是當電子和空穴自發(fā)復合時發(fā)光。這種輻射光子通過半導體時，當其經過已發(fā)射的電子—空穴對附近，后者就會被激勵復合，于是就產生了之前所說的新的光子，由于已被激發(fā)的載流子被這種光子誘發(fā)而復合，從而產生新的光子的現象叫作受激輻射。有一種現象叫粒子數反轉，它是指形成一種載流子分布，這種分布與熱平衡狀態(tài)所產生的載流子分布相反，但前提條件是注入足夠大的電流。如果載流子在有源層內并且大量反轉便會產生受激輻射，其原因是少量由自發(fā)輻射產生的光子，在諧振腔兩端面往復反射而產生的。這時會造成一種現象，這種現象是某一頻率會產生增益，其造成選頻諧振正反饋。具有良好譜線的相干光，它會從PN結中產生并發(fā)出，這種光就是激光，此時增益大于損耗。

但是當有大量的足夠的電流被注入，載流子的分布會不一樣，會出現與熱平衡所呈現的狀態(tài)相反。當在大量反轉之載流子存在于有源層內，此時由于出現在諧振腔兩端面的，這里存在的由自發(fā)輻射而產生的之前所說的光子，其少量的在上述之位置往返來回反射，并由此產生感應輻射，這種情況下會對一種頻率出現增益現象，此時會出現正反饋，其出現在選頻諧振的方面。激光具有良好譜線的相干光，當吸收損耗小于增益時可從PN節(jié)中激發(fā)出來。

有一種現象，有兩個粒子從某一高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，它們的各種性質不同，它們發(fā)出光的相位不同、偏振狀態(tài)不同、發(fā)射方向也可能不同，這種輻射就叫自發(fā)輻射。這里還有另一種情形是當位于高能態(tài)的粒子在外來光子的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，此時其會發(fā)出與外來光子完全相同的光，這時它們的各種性質完全相同，如頻率、相位、偏振狀態(tài)等，這就是受激輻射與上述輻射的不同。激光器需要產生各項性質相同的光，它所發(fā)出的輻射就是受激輻射，由該輻射放出的激光在頻率、相位、偏振狀態(tài)等性質完全一樣。其實受激輻射、受激吸收同時發(fā)生，它們同時存在于所有的受激發(fā)光系統(tǒng)。只有在受激輻射占優(yōu)勢時外來光被放大并發(fā)出激光。因為在大部分光源中，占優(yōu)勢的都是受激吸收這種情形，于是發(fā)出激光只有這樣一種情況，那就是粒子數反轉，在這種情況下低能態(tài)的粒子數小于高能態(tài)的粒子數，粒子的平衡態(tài)就被打破了[1-5]。

2 半導體激光器的應用

2.1 半導體激光器的發(fā)展

1964年將激光二極管的工作溫度提高到室溫。1969年單異質晶體結構的激光光電二極管在40 ℃室溫下正常工作。1970年發(fā)明雙異質結激光二極管。此后，激光二極管的發(fā)展迅速。雙異質結激光二極管壽命在1975年提高到105 h以上。激光二極管的發(fā)展推動了光纖通信的產業(yè)化應用。

技術的進步促使激光發(fā)展成為一種專門的技術。具體地說，在成為激光最廣泛應用的技術之時，激光二極管在過去的30多年里平均能量增加，而每瓦的平均能量則呈指數級降低。因此，激光二極管將取代某些已經建立起來的激光和非激光技術，同時也使得全新的光學技術可能成為現實，激光二極管在數據儲存、數據通信和固體激光設備等中有成熟應用。相比之下，材料加工與光學傳感是一個快速發(fā)展的細分市場，這里產生了大量新興的應用。

二極管棒的衍射功率不斷增加大大推動了直接發(fā)光二極管衍射激光器的快速發(fā)展，并且也使得其在激光材料以及加工工藝方面的新技術應用成為一種可能，包括將近紅外光束的技術提升和發(fā)展用于精密機械工程技術中的新型通用可見光雷射激光器，通過把單個激光二極管和一組激活介質棒結合起來，擴大功率，標準棒寬度為1 cm。幾十年來，各大公司在提高二極管棒輸出功率的同時，也進行了激烈競爭。如今，商業(yè)半導體激光器的產品一般提供功率不超過1 μm波長的200 W/bar，而激光生產商的開發(fā)部門也已經確認連續(xù)波的平均功率超過了1 kW/bar。

根據數據分析的相關資料，研究了1 μm紅外激光波長的高功率半導體激光的輸出光束功率和發(fā)射光束質量值的變化。高功率半導體激光器是一種迅速進步發(fā)展的新型材料產業(yè)加工技藝工具和材料產業(yè)制造設備。

二極管棒的加工功率大幅增加雖然提供了金屬材料激光加工的新技術應用，但一些新興的加工應用例如要求波長、穩(wěn)定度和激光器件整體使用壽命等要比激光技術參數更高。因此，可以看出功率化的競爭已不再是一個企業(yè)首要的競爭任務了。二極管上的激光加工技術不斷快速發(fā)展，包括基于紅外光束的高質量精度技術提升和新型精密金屬加工技術領域，用于精密金屬工程。

半導體激光技術的發(fā)展產生了直接二極管激光器（DDLs）制造。大功率直接二極管激光器結合許多光學二極管與波束，形成電子控制和冷卻單位。技術進步使 DDLs 能夠產生20 kW以上的輸出功率，并且在波束質量比以往更高時產生了多千瓦電力。除了DDL，像德國Laserline 這樣的二極管激光器也提供了與有源光纜轉換器耦合的二極管激光，其輸出功率為42 kW，光束質量為4 mrad。

光束質量自動改進使用戶可以將激光集中在一個較小的位置，這表明 DDLs 是處理金屬、塑料和復合材料的一種快速開發(fā)工具。在諸如激光焊接的高精度、深穿透等應用中，DDLs 現在與光纖激光設備的高低相匹配。DDLs 直接把電能轉換成激光，而光纖激光器以稀土金屬摻雜的光纖為基礎，必須通過激光二極管或兩極管棒進行能量輸出。

2.2 半導體激光器在軍事領域的應用

在軍事武器方面，全固態(tài)激光器的應用也很廣泛，表現十分出色。半導體激光武器能給敵人造成直接殺傷，是一種新型優(yōu)質武器。據相關行業(yè)報道，2020年美國陸軍將50 kW全固態(tài)激光器成功裝載在機動戰(zhàn)車上，用于對空防御。目前我國也在積極開展半導體激光軍事武器的研制，并已取得巨大突破。

2.3 半導體激光器在醫(yī)療領域的應用

半導體激光治療儀器獨特的優(yōu)點造就了獨特的效果，其中精確、可控便是其最大特點。創(chuàng)傷小、出血少、非接觸、無感染的特點就是激光束造成的切片獨有的，其周圍組織的損傷程度也極小。

2.4 半導體激光器在工業(yè)領域的應用

在工業(yè)加工領域，其應用也頗多頗廣。據韓國行業(yè)統(tǒng)計，該國加工制造業(yè)一成以上都需要激光加工，其中汽車方面，該國汽車行業(yè)在進行原車加工時，進行噴漆處理前會先使用激光的光束處理鋼板表面，這種操作對工藝要求高的汽車行業(yè)很重要，它不僅讓油漆不容易脫落，而且車體表面的光澤度提高。由于汽車行業(yè)的競爭激烈，據德國相關行業(yè)雜志報道，世界上很多知名公司都在很多環(huán)節(jié)使用了激光技術，其中激光器系統(tǒng)就備受青睞，福特、菲亞特等公司的激光焊接技術廣泛地應用在汽車焊接中，這使他們在競爭中保持優(yōu)勢，在市場中持續(xù)活躍，帶動更多的產業(yè)鏈，加速了產業(yè)化。

3 結 論

半導體激光器經過長時期的發(fā)展已成熟，隨著科技的日益進步和經濟的高水平發(fā)展，其應用和產業(yè)化前景會越來越全面，越來越廣泛。