半導體激光器簡介及工作原理

半導體激光器又稱激光二極管，是用半導體材料作為工作物質(zhì)的激光器。由于物質(zhì)結(jié)構上的差異，不同種類產(chǎn)生激光的具體過程比較特殊。常用工作物質(zhì)有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。 半導體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫時多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時可實現(xiàn)連續(xù)工作。半導體二極管激光器是最實用最重要的一類激光器。

它體積小、壽命長，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦，其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可與之單片集成。并且還可以用高達GHz的頻率直接進行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點，半導體二極管激光器在激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等方面得到了廣泛的應用。

半導體激光器是以一定的半導體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生激光的器件。.其工作原理是通過一定的激勵方式，在半導體物質(zhì)的能帶(導帶與價帶)之間，或者半導體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)(受主或施主)能級之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導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。電注入式半導體激光器，一般是由砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等材料制成的半導體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。光泵式半導體激光器，一般用N型或P型半導體單晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵。高能電子束激勵式半導體激光器，一般也是用N型或者P型半導體單晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物質(zhì)，通過由外部注入高能電子束進行激勵。在半導體激光器件中，性能較好，應用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構的電注入式GaAs二極管激光器。

半導體激光(Semiconductor laser)在1962年被成功激發(fā)，在1970年實現(xiàn)室溫下連續(xù)輸出。后來經(jīng)過改良，開發(fā)出雙異質(zhì)接合型激光及條紋型構造的激光二極管(Laser diode)等，廣泛使用于光纖通信、光盤、激光打印機、激光掃描器、激光指示器(激光筆)，是目前生產(chǎn)量最大的激光器。激光二極體的優(yōu)點有：效率高、體積小、重量輕且價格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也達到數(shù)15%~25%，總而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的連續(xù)輸出波長涵蓋了紅外線到可見光范圍，而光脈沖輸出達50W(脈寬100ns)等級的產(chǎn)品也已商業(yè)化，作為激光雷達或激發(fā)光源可說是非常容易使用的激光的例子。

根據(jù)固體的能帶理論，半導體材料中電子的能級形成能帶。高能量的為導帶，低能量的為價帶，兩帶被禁帶分開。引入半導體的非平衡電子-空穴對復合時，把釋放的能量以發(fā)光形式輻射出去，這就是載流子的復合發(fā)光。一般所用的半導體材料有兩大類，直接帶隙材料和間接帶隙材料，其中直接帶隙半導體材料如GaAs(砷化鎵)比間接帶隙半導體材料如Si有高得多的輻射躍遷幾率，發(fā)光效率也高得多。半導體復合發(fā)光達到受激發(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，占據(jù)導帶電子態(tài)的電子數(shù)超過占據(jù)價帶電子態(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)有一個合適的諧振腔能夠起到反饋作用，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。半導體激光器工作原理是激勵方式，利用半導體物質(zhì)(即利用電子)在能帶間躍遷發(fā)光，用半導體晶體的解理面形成兩個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。半導體激光器優(yōu)點：體積小、重量輕、運轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等。