半导体激光器的应用及适用性探讨

唐婧婧

摘 要：如今，激光器的研究的理论体系已趋于成熟，应用上也呈现出其性能的实用性和功能的多样性。半导体激光器作为激光器应用领域的中流砥柱，以它优良的性质被广泛采用，所以对于半导体激光器的适用性的研究具有实际的意义。本文意在通过半导体激光器的原理，分析半导体激光器的突出性质，结合现阶段的应用实例，梳理半导体激光器应用的发展历程，探讨其可发展的适用范围。

关键词：激光器应用；半导体激光器；适用性

1 半导体激光器的原理

1.1 半导体激光器的工作原理

半导体激光器（Semiconductor Laser），是利用半导体内原子跃迁产生光子的受激辐射光放大过程的器件，包括光振荡器以及光放大器1。

受激辐射（stimulated emission）是：高能级的原子收到能量为 的光子激励，从高能级跃迁到低能级，辐射出另一个与激励光子完全相同的光子2。如图：

这里h是普朗克常量，是光的频率。

半导体中的电子能级不是分立的，而是形成能带，当导带充斥电子而价带存在大量空穴时，如图：

受激辐射时只要满足入射光的能量大于带隙能量时，即满足受激辐射条件，产生电子跃迁和光子辐射。

1.2 半导体激光器与其他激光器的区别

工作原理上，半导体激光器和其他激光器并无区别，而要实现实际辐射光放大，则需满足粒子数反转和原子分子阈值条件，即高能带的粒子数多于低能带，同时反转数产生的增益又大于损耗3。因此半导体激光器和其他激光器的区别主要反映在能级上，例如气体固体激光器是依赖于其分离能级间的跃迁。而半导体激光器依赖于一种晶体结构构造的能带间跃迁，即导带和价带的跃迁。

1.3 半导体激光器的理论发展

由上可知，半导体激光器理论的发展主要是基于器件结构的发展。

总的来说，器件的结构满足产生激光条件即需要保证：1、P-N结电子与空穴复合产生光增益；2、正偏结提供载流子；3、腔体结构形成F-P谐振腔保持振荡。

最早的半导体激光器是同质结的，这种结构的特点类似于普通P-N结，它的阈值电流密度高，需要达到105A/cm2， 并且只能在液氮的低温下进行脉冲工作。

1967年，采用GaAs/AlGaAs的单异质结构，采用高带隙势垒的阻挡作用4，阈值电流密度降低了一个数量级光功率提高了四倍。

1970年，美国Bell实验室报道采用GaAs/AlGaAs的双异质（DH）结构的0.89室温连续工作激光器5。

二十世纪八十年代，低损耗窗口的发现使得研究方向向改变波长范围转移，1988年中科院半导体所实现了InGaAsP/InP DH 长波长多模激光器的室温连续工作，激光波长为1.55。同时期发展的半导体激光器还有长波长单模激光器和量子阱能带半导体激光器6。

二十世纪九十年代开始，基于量子阱能带激光器的设计，晶面解理技术的发展，半导体激光器的研究偏向于腔镜结构的设计。1997年，日本日亚公司InGaN多量子阱（ MQW s）蓝光激光器实现室温连续波运行7。

2 半导体激光器的性质

半导体激光器的工作特性主要是讨论阈值电流、方向性、量子效率、光谱特性、纵横摸特性。

半导体激光器由于晶体结构的关系，阈值电流受到晶体掺杂浓度、谐振腔损耗、温度和材料节型的影响。

它的方向性差，发散角可达到20°到30°。

量子效率受温度影响明显，低温量子效率大。

输出光谱在研究过程中质量不断提高，由于能带原理的影响，早期的半导体器的单色性不佳。

纵模在形成过程中会出现纵模抑制，动态单纵模频率可由调制电流调节。而每个纵模都对应多个横模，横模的基模亮度高、光斑小。

基于上述的工作特性，我们可知，半导体激光器的性能特点主要有：体积小、质量轻、可控制其他参数调节阈值电流、量子效率较高，然而光束方向性差、单色性差、相比其他类型激光器功率偏低。

3 半导体激光器的应用

由于以上对半导体激光器性能的探讨，以及实践中已采用的技术，我们可以大致根据半导体激光器的性能特点对应用进行一个大致的分类：

体积小、质量轻：可用于军工领域如雷达、导弹、等机载设备上的激光信号探测、环境扫描隐蔽侦察等。在医学上，由于它这一性质，加上不需要高电流或外循环冷却水，可用于医疗救助环境，如手术室、门诊等。

功率偏低：因为它体积小的缘故，功率偏低的情况下，常用来做其他激光器的泵浦光源，例如0.78到0.86波段的AlGaInP宽带多模激光阵列被用作固体激光器的光泵浦，0.98波段的InGaAs基模脊状单管发射的激光被用作掺铒光纤放大器（EDFA）和光纤激光器的泵浦光源。

波长范围可调节：对于光通信领域，半导体激光器有波长范围宽、增益带宽宽、可直接调制等优点8，可实现红外到可见光波段任意波长的激光器、能在足够大的波长范围内选择激射波长实现带宽光放大器、可通过控制电流驱动调节振荡的强度相位和频率。这些可控因子对于光通信而言至关重要。

4 半导体激光器的适用性分析

就半导体激光器的原理和性能而言，适用于激光的绝大多数领域，特别是轻便这一特点，使它成为很多环境下激光器的首选需求，但是，随着激光设备的不断发展，其他种类的激光器也在往轻型化和小型化的方向发展，例如气体激光器中小型准分子激光器的研究，意味着接下来一段时间里，小型化不再是半导体激光器的独有优势。

那么如何才能将半导体激光器的独有优势发挥？如何才能提高半导体激光器在激光行业未来发展中的适用性？我认为必须从原理出发，来发展它在生产生活各种需求的适应性。半导体激光器与其他激光器最大的区别点就在于能带和腔镜结构的设计。

在能带上，主要采用的是量子阱激光器的设计，它是不同成分的半导体材料在一个方向上以薄层交替的齿状结构，从而将窄带系的薄层有源区夹在宽带系的半导体材料中，形成势能阱。它有极高的量子效率，特别适用于作泵浦光源。

在腔镜结构上，垂直腔表面发射激光器（VXSEL）和分布反馈激光器（DFB）以及分布布拉格反射激光器（DFR）的研究已经卓有成效。其中VCSEL型半导体激光器由于单纵模、波长可连续调谐、无模间跳跃、波长分布广等特点，在光谱学的研究中（特别是气体光谱）效果显著。DBF和DFR两种激光器主要产生单纵模振荡、谱线窄、波长稳定性好，适用于通讯波段，此外在光谱技术上具有可调谐性，也可适用于光谱学的检测分析的应用上。

总结

本文主要阐述了半导体激光器的原理以及基于原理产生的各种优缺点性质，对于半导体激光器的应用的适应性通过对于原理的深入了解，进行了简单地分析。当下的研究表明，半导体激光器的适用性方向不是偏向于激光加工的应用方向，而是更多集中在光通信、泵浦光源和激光光谱学等领域。

参考文献

[1] 陈卓. 半导体激光器高温定度电源的研究[D]. 华中科技大学， 2007.

[2] 陆履豪， 谭为平. 掺铒光纤放大器 （EDFA） 及其应用[J]. 电力系统通信， 2002， 23（8）： 38-41.

[3] 张雄. 中红外波段锑化物激光器， 探测器器件与物理研究[D]. 中国科学院研究生院 （上海微系统与信息技术研究所）， 2004.

[4] 陈辉， 高红， 张云刚， 等. 半导体激光器的发展及其在激光光谱学中的应用[J]. 哈尔滨师范大学自然科学学报， 2005， 21（14）： 40-43.