自1962年世界上第一臺半導(dǎo)體激光器發(fā)明問世以來,半導(dǎo)體激光器發(fā)生了巨大的變化,極大地推動了其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,被認(rèn)為是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。
近十幾年來,半導(dǎo)體激光器的發(fā)展更為迅速,已成為世界上發(fā)展最快的一門激光技術(shù)。半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個光電子學(xué)領(lǐng)域,已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)。
由于半導(dǎo)體激光器的體積小、結(jié)構(gòu)簡單、輸入能量低、壽命較長、易于調(diào)制以及價格較低廉等優(yōu)點(diǎn),使得它目前在光電子領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛,已受到世界各國的高度重視。
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)體激光器的激勵方式主要有三種,即電注入式、光泵式和高能電子束激勵式。絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵方式是電注入,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之間躍遷,所以躍遷能量不是個確定值, 這使得半導(dǎo)體激光器的輸出波長展布在一個很寬的范圍上。它們所發(fā)出的波長在0.3~34μm之間。其波長范圍決定于所用材料的能帶間隙 ,最常見的是AlGaAs雙異質(zhì)結(jié)激光器,其輸出波長為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)體激光器最大的缺點(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)的信息社會中將取得更大的進(jìn)展, 發(fā)揮更大的作用。
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 ,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。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,具有特定波長的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大,最后形成激光而連續(xù)地輸出。
可見在半導(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。
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, 最先出現(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)激光器降低了一個數(shù)量級, 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)。
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 ,由于它的波長范圍寬, 制作簡單、成本低、易于大量生產(chǎn),并且由于體積小、重量輕、壽命長,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)的唯一實(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)用于光盤存儲器,其最大優(yōu)點(diǎn)是存儲的聲音、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)測大氣污染、汽車尾氣等。在工業(yè)上可用來監(jiān)測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,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)激光動力學(xué)治療。將對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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