激光是科幻小說里的東西：又大又重的盒子能產生熾熱的光。如果你在實驗室里見過一束普通的激光，你就會知道它是一種相當笨重的東西：通常大約和你的前臂一樣長，相當重，相當熱，能夠產生非常強烈的光束。但如果激光有那么大，我們怎么能把它們用在像便攜式CD播放機和手持條形碼掃描儀這樣的小東西上呢？答案是我們沒有！這些東西使用一種非常不同的激光器，它和普通的LED（發光二極管）差不多大小（工作方式也差不多）。半導體激光器（也叫二極管激光器或注入激光器）是由羅伯特·n·霍爾在20世紀60年代早期開發出來的，主要因為它們體積小，價格便宜，現在是世界上使用最廣泛的激光器。

你有可能在最近幾天已使用過半導體激光器，只是你自己不知道是半導體激光器。如果您已經看過DVD，那么您就可以“瀏覽”其中的DVD。如果您去過一家雜貨店，并且有條碼商品刷過與您一起購買的結帳單；如果您已經通過光纖電纜打了長途電話，那么您已經“通話”了；如果您使用激光打印機進行過打印，則您的打印輸出已經非常接近了。半導體激光器可以發出強大而精確的光束（就像普通激光器一樣），但是它們的尺寸與簡單的LED（在電子儀表板上看到的小彩色燈）大小相同。

如果您已經閱讀了有關二極管的文章，您將已經知道LED的工作原理。本質上，LED是一種半導體三明治，其“面包”由兩種不同類型的經過處理的硅切片制成，稱為p型（富含“空穴”，換句話說，就是略微缺少電子，里面有微小的帶負電荷的顆粒）原子）和n型（電子略多）。將兩個切片放在一起，就可以制造出具有各種有趣特性的所謂的p-n結二極管。

在普通的二極管中，p-n結的工作就像一個旋轉柵，它僅允許電流沿一個方向流動（稱為正向偏置操作）。當電子流過該勢壘時，它們與另一側的空穴結合，并以聲子（聲音振動）的形式發出能量，這些能量消失在硅晶體中。在LED中，發生的過程大致相同，但是能量的發出不是聲子，而是光子-可見光包。

照片：此照片左下方的小圓圈是CD播放器中的半導體激光二極管。右上角較大的藍色圓圈是鏡頭，可讀取從CD反射回來的反射光。切勿試圖看CD播放器中的激光：您很容易蒙蔽自己。

半導體激光器

定義：

它是專門制造的pn結二極管。當該二極管正向偏置時，它會發出激光。

原理：

當pn結二極管被正向偏置時，來自n-區的電子和來自p-區的空穴穿過結并彼此復合。

在重組過程中，光輻射（光子）從某些特定的直接帶隙半導體（如Ga-As）中釋放出來。這種光輻射被稱為復合輻射。

重組過程中發出的光子會刺激其他電子和空穴復合。結果，發生了產生激光的受激發射。

施工：

活性介質是由砷化鎵單晶制成的pn結二極管。將該晶體切割成厚度為0.5μmm的盤狀。

血小板由具有電子傳導性（n型）和空穴傳導性（p型）的兩部分組成。

在非常薄的PN結層（約幾微米）中激發光子發射。電壓通過固定在上表面上的電極施加到晶體上。

結型二極管的端面拋光良好且彼此平行。它們充當光諧振器，發出的光通過光諧振器發出。

加工：

當PN結被施加較大的施加電壓正向偏置時，電子和空穴將以相當大的濃度注入結區

結周圍的區域在導帶中包含大量電子，在價帶中包含大量空穴。

如果人口密度高，則可以實現人口反轉的條件。電子和空穴彼此復合，并且這種復合產生光形式的輻射。

當正向偏置電壓增加時，會發射出越來越多的光子，并且光的產生會立即變強。這些光子將觸發刺激的重組鏈，導致光子同相釋放。

在結平面處移動的光子通過在彼此平行且相對的兩側之間的反射來回傳播，并增強強度。

獲得足夠的強度后，它發出波長為8400 o A的激光束 。激光的波長為

其中E g是焦耳中的帶隙能量。

特點：

1.類型：固態半導體激光器。

2.活性介質：由砷化鎵單晶制成的PN結二極管 用作活性介質。

3.抽水方式：直接轉換方式用于抽水

4.功率輸出： 該激光器的功率輸出為1mW。

5.輸出 的性質：輸出的性質是連續波或脈沖輸出。

6.輸出的波長： 砷化鎵激光給出紅外輻射的波長8300至8500 ò 甲 。

優點：

1.尺寸很小。布置簡單緊湊。

2.效率高。

3.通過控制結電流可以輕松增加激光輸出

4.與紅寶石和CO 2激光器相比，其功率更低。

5.它幾乎不需要輔助設備

6.它可以具有連續波輸出或脈沖輸出。

缺點：

1.難以控制激光器的模式圖案和模式結構。

2.輸出通常為5度到15度，即激光束發散大。

3.純度和單色度比其他類型的激光強大

4.閾值電流密度非常大（400A / mm 2）。

5.一致性和穩定性差。

應用：

1.廣泛用于光纖通信

2.用于紅外線治療傷口

3. 它也用作止痛藥

4. 用于激光打印機和CD的讀寫。

半導體激光器如何發光

在激光二極管中，我們采取了進一步行動，以使發出的光更純凈，更強大。代替使用硅作為半導體，我們使用不同的材料，特別是鋁和砷化鎵的合金（磷化砷化銦鎵是另一種流行的選擇）。電子被注入到二極管中，它們與空穴結合，它們的一些多余能量被轉換成光子，與更多的入射電子相互作用，從而幫助產生更多的光子，以此類推，這種自我延續的過程稱為共振。輸入電子到輸出光子的這種重復轉換類似于在傳統的基于氣體的激光器中發生的受激發射過程。

藝術品：激光二極管的基本設置。當電子和光子在以類似于常規結型二極管或LED的方式排列的p-n結中相互作用時，會產生激光。二極管的一端被拋光，因此激光可以從二極管中射出。另一端留有粗糙，以幫助限制光線。

在常規激光器中，通過在兩個反射鏡之間反復“泵浦”從原子發射的光來產生集中光束。在激光二極管中，當光子在p型和n型半導體切片之間的微觀結點（大約1微米寬）中來回反彈時，會發生等效過程，這在技術上稱為Fabry-Perot諧振腔（一種干涉儀）。最終，放大的激光從間隙的拋光端以平行于結的光束射出。從那里開始，它可以繼續從CD上讀取音樂，掃描玉米片的價格，打印出大學論文或做其他一千件事！

堆疊式激光二極管

早期的激光二極管只能發射單個相對較弱的光束，但是精巧的電子工程師很快就找到了使它們更強大的方法。自1990年代以來，一種常見的方法是將多個激光二極管相互疊置（如公寓樓），然后使用準直儀和/或透鏡將其單個光束聚焦為單個輸出光束。這種布置被不同地稱為半導體激光器堆疊，堆疊的激光二極管或僅稱為二極管堆疊。除了產生比單個激光二極管更大的功率之外，堆棧還提供了同時產生多個不同波長的可能性（因為堆棧中的每個激光器可以產生不同的波長）。而不是單個P-N結，而是多個結，并且激光束從它們之間的有源層發出。通常，在堆疊的層之間也至少有一個隧道結。一對端子（有時稱為歐姆接觸）將電能提供給整個電池組。

藝術品：一個簡單的堆疊式激光二極管，包括兩個二極管激光器，一個位于另一個頂部，并且由砷化鋁鎵鎵的摻雜層制成。端子（歐姆接觸）的頂部和底部顯示為灰色，基板（基材）為綠色，P型層顯示為藍色，N型層顯示為紅色。隧道結標記為J2。由美國專利和商標局提供的藝術作品，來自美國專利號5，212，706：1993年5月18日，康涅狄格大學的Faquir C. Jain提出的具有隧道結并提供多光束的激光二極管組件。

1. 半導體激光器的光發射

半導體激光器（LD）是一種通過將電流注入半導體而引起激光振蕩的裝置。發光的機理與發光二極管（LED）相同。光是通過將正向電流流動到p-n結而產生的。正偏置操作時，p型層與正極連接，n型層與負極連接，電子從n型層進入，空穴從p型層進入。當兩者在交界處相遇時，一個電子落入一個空穴，同時發出光。

2. 半導體激光器的基本結構

半導體激光器的基本結構。有源層（光發射層）夾在p型和n型復合層（雙異質結構）之間，形成在n型襯底上，從電極向p-n結施加電壓。活動層的兩邊都有鏡面。當施加正向電壓時，電子在p-n結處與空穴結合，并對光產生影響。這種光還不是激光;由于復層的折射率比有源層的折射率低，它被限制在有源層內。此外，活動層的兩端作為一個反射鏡，光在活動層往復。然后，光被激發發射過程放大，產生激光振蕩。

3.半導體激光器類型

半導體激光器的中心波長主要取決于有源層半導體的帶隙能量。然而，在帶隙能量相同的情況下，激光光譜的細節因LD類型的不同而不同。

法布里-珀羅半導體激光器

這種激光器具有最簡單的結構，可用于許多應用，包括cd、dvd和BDs的光學拾取;激光打印機;以及光纖激光器的激發。它的特點是利用激光晶體的解理面來反射有源層中發射的光，如圖1所示。晶體的解理面極其光滑，可用作反射鏡。由于Fabry perot-LD沒有選擇特定振蕩波長的機制，因此多激光器振蕩在增益帶寬范圍內發生。在光纖傳輸中，多波長的振蕩會導致脈沖展寬，因此不能應用于長距離通信。

（2） DFB半導體激光器

DFB激光器（分布式反饋激光器）在有源層下面或上面有一個光柵，在光柵的布拉格波長所確定的單波長處振蕩。圖3演示了結構大綱。它具有較窄的光譜寬度和較低的噪聲等優越性能，可用于長途光通信中作為光信號源。

（3） FBG波長穩定半導體激光器

DFB激光器具有單波長振蕩的優良性能，但制造難度大，成本高。用光纖光柵穩定單波長的激光二極管是一種更經濟的單波長振蕩激光器。在這種情況下，激光腔由有源層的HR涂層端面和低反射率的光纖光柵組成。只畫出了纖芯。所述有源層的另一端和所述光纖的入射端均有AR涂層，以防止反射光。此外，光纖的入射端被加工成透鏡配置以收集光。由于在光纖芯內形成的光纖光柵只反射一個特定波長，因此會發生單波長振蕩。

半導體激光應用實例

半導體激光器通過利用包括直線度，小發射點尺寸（幾個um），單色性，高光密度和相干性的特性而被用于各種應用。

最近，半導體激光器已應用于運動感測，HDD熱輔助磁記錄和照明（投影儀和前照燈）。
責任編輯：tzh