摘要：

近十幾年來半導(dǎo)體激光器發(fā)展迅速，已成為世界上發(fā)展最快的一門激光技術(shù)。由于半導(dǎo)體激光器的一些特點，使得它目前在各個領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛，受到世界各國的高度重視。本文簡述了半導(dǎo)體激光器的概念及其工作原理和發(fā)展歷史，介紹了半導(dǎo)體激光器的重要特征，列出了半導(dǎo)體激光器當(dāng)前的各種應(yīng)用，對半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢進行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器、激光媒質(zhì)、載流子、單異質(zhì)結(jié)、pn結(jié)。

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，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。

一、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 ，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展， 發(fā)揮更大的作用。

二、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�？梢娫诎雽�(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，而GaInN 量子點已用于半導(dǎo)體激光器。