一、引言

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和奎斯特報告了砷化鎵材料的光發(fā)射現(xiàn)象，這引起通用電氣研究實驗室工程師哈爾的極大興趣，在會后回家的火車上他寫下了有關數(shù)據(jù)?；氐郊液螅柫⒓粗贫搜兄瓢雽w激光器的計劃，并與其他研究人員一道，經(jīng)數(shù)周奮斗，他們的計劃獲得成功。從此拉開了研究半導體激光器的序幕。像晶體二極管一樣，半導體激光器也以材料的Ｐ—ｎ結特性為基礎，且外觀亦與前者類似，因此，半導體激光器常被稱為二極管激光器或激光二極管。

本文對半導體激光器的原理，發(fā)展以及應用等作簡要介紹。

二、半導體激光器原理

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)生受激發(fā)射作用的器件。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ＧａＡｓ（砷化鎵），ｌｎＡｓ（砷化銦），ＩｎＳｂ（銻化銦）等材料制成的半導體面結型二極管，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。

三、半導體激光器的發(fā)展

２Ｏ世紀６Ｏ年代初期的半導體激光器是同質(zhì)結型激光器，它是存一種材料上制作的ＰＮ結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結耗盡區(qū)內(nèi)實現(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體激光器。

半導體激光器發(fā)展的第二階段是異質(zhì)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，ＧａＡ１Ａｓ所組成，最先出現(xiàn)的是單異質(zhì)結構激光器（１９６９年）。單異質(zhì)結注入型激光器（ＳＨＬＤ）是利用異質(zhì)結提供的勢壘把注入電子限制在ＧａＡｓＰ—Ｎ結的Ｐ區(qū)之內(nèi)，以此來降低閾值電流密度，其數(shù)值比同質(zhì)結激光器降低了一個數(shù)量級，但單異質(zhì)結激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作。

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(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用的推動下，高功率半導體激光器在２Ｏ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(jīng)商品化，國內(nèi)樣品器件輸出已達到６００Ｗ。如果從激光波段的被擴展的角度來看，先是紅外半導體激光器，接著是６７０ｎｍ紅光半導體激光器大量進入應用，接著，波長為６５０ｎｍ，６３５ｎｍ的問世，藍綠光、藍光半導體激光器也相繼研制成功，１０ｍｗ量級的紫光乃至紫外光半導體激光器，也在加緊研制中，為適應各種應用而發(fā)展起來的半導體激光器還有可調(diào)諧半導體激光器。分布反饋（ＤＦ）式半導體激光器是伴隨光纖通信和集成光學回路的發(fā)展而出現(xiàn)的，它于１９９１年研制成功，分布反饋式半導體激光器完全實現(xiàn)了單縱模運作，在相干技術領域中又開辟了巨大的應用前景它是一種無腔行波激光器，激光振蕩是由周期結構（或衍射光柵）形成光藕合提供的，不再由解理面構成的諧振腔來提供反饋，優(yōu)點是易于獲得單模單頻輸出，容易與纖維光纜、調(diào)制器等輛合，特別適宜作集成光路的光源。單極性注人的半導體激光器是利用在導帶內(nèi)（或價帶內(nèi)）子能級間的熱電子光躍遷以實現(xiàn)受激光發(fā)射，自然要使導帶和價帶內(nèi)存在子能級或子能帶，這就必須采用量子阱結構。單極性注人激光器能獲得大的光功率輸出，是一種商效率和超商速響應的半導體激光器，并對發(fā)展硅基激光器及短波激光器很有利。量子級聯(lián)激光器的發(fā)明大大簡化了在中紅外到遠紅外這樣寬波長范圍內(nèi)產(chǎn)生特定波長激光的途徑。它只用同一種材料，根據(jù)層的厚度不同就能得到上述波長范圍內(nèi)的各種波長的激光。

四、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，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，應用范圍廣，目前已超過３００種。下面介紹幾種常用的半導體激光器的應用。

量子阱半導體大功率激光器在精密機械零件的激光加工方面有重要應用，同時也成為固體激光器最理想的、高效率泵浦光源。由于它的高效率、高可靠性和小型化的優(yōu)點，導致了固體激光器的不斷更新。在印刷業(yè)和醫(yī)學領域，高功率半導體激光器也有應用。另外，如長波長激光器（１９７６年）用于光通信，短波長激光器用于光盤讀出。自從ＮａＫａｍｕｘａ實現(xiàn)了Ｇａｌｎ／ＧａＮ藍光激光器，可見光半導體激光器在光盤系統(tǒng)中得到了廣泛應用，如ＣＤ播放機，ＤＶＤ系統(tǒng)和高密度光存儲器可見光面發(fā)射激光器在光盤、打印機、顯示器中都有著和重要的應用，特別是紅光、綠光和藍光面發(fā)射激光器的應用更廣泛。藍綠光半導體激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息讀寫、深水探測及應用于大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視機中?？傊?，可見光半導體激光器在用作彩色顯示器光源、光存貯的讀出和寫入，激光打印、激光印刷、高密度光盤存儲系統(tǒng)、條碼讀出器以及固體激光器的泵浦源等方面有著廣泛的用途。量子級聯(lián)激光的新型激光器應用于環(huán)境檢測和醫(yī)學領域。另外，由于半導體激光器可以通過改變磁場或調(diào)節(jié)電流實現(xiàn)波長調(diào)諧，且已經(jīng)可以獲得線寬很窄的激光輸出，因此利用半導體激光器可以進行高分辨光譜研究?？烧{(diào)諧激光器是深入研究物質(zhì)結構而迅速發(fā)展的激光光譜學的重要工具大功率中紅外ＬＤ在紅外對抗、紅外照明、激光雷達、

大氣窗口、自由空間通信、大氣檢測和化學光譜學等方面有廣泛的應用。

五、結束語

半導體激光器是實用中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以及獲得了廣泛的應用。