半导体激光器的历史状况及应用

2010-08-15石飞飞

科技传播 2010年14期

石飞飞

北京林业大学理学院，北京 100083

0 引言

激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱(单、多量子阱) 等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺[5]。半导体激光器的应用范围十分广泛，而且由于它的体积小，结构简单，输入能量低，寿命长，易于调制和价格低等优点，使它已经成为当今光电子科学的核心技术，受到了世界各国的高度重视。

1 半导体激光器的历史

半导体激光器又称激光二极管(LD)。随着半导体物理的发展，人们早在20世纪50年代就设想发明半导体激光器。

20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象。

半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs，GaAlAs所组成的激光器。单异质结注人型激光器(SHLD)，它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP一N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度的激光器。

1970年，人们又发明了激光波长为9000Å在室温下连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼铝砷)激光器.在半导体激光器件中，目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs二极管激光器.

从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器；另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器(连续输出功率在100W以上，脉冲输出功率在5W以上，均可称之谓高功率半导体激光器)在20世纪90年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到600W。另外，还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中，可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长，可以很方便地对输出光束进行调制。

20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展。

目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络，为了满足21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要，半导体激光器的发展趋势主要是向高速宽带LD、大功率LD，短波长LD，盆子线和量子点激光器、中红外LD等方面发展。

2 半导体激光器的应用

半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器。目前，已经广泛应用于通讯、测距、精密仪器加工，光集成的信息存储和信息处理等。

在光纤通讯中，半导体激光器是光纤通讯系统的唯一实用化的光源，而且光纤通讯已经成为当代通讯的主流。到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。

在激光测距中，激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的1/5到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。

在精密仪器加工中，借助Q开关半导体激光器产生的高能量超短光脉冲，可以对集成电路进行切割、打孔等。

在光集成的信息存储应用中，人们采用短激光波长读出光盘的内容，采用蓝、绿激光来提高光盘的存储密度。

在信息处理应用中，表面发射半导体激光器二维阵列是光并行处理系统的理想光源，且用于光计算机和神经网络中。

此外，半导体激光器还运用在环境检测和医疗中。在环境检测中，通过分析光谱来分析环境气体，从而监测大气污染、汽车尾气等。在医疗方面，半导体激光除了用于软组织切除，组织接合，凝固和汽化等外，还用于激光动力学治疗，将与肿瘤有亲和性的光敏物质有选择地聚集在癌组织内，通过半导体激光的照射，使癌组织坏死，而对健康组织毫无损害。