半导体激光器的工作原理

 

1、增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布,在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带,因此在半导体中要实现粒子数反转,必须在两个能带区域之间,处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多,这靠给同质结或异质结加正向偏压,向有源层内注人必要的载流子来实现。将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用。

 

2、要实际获得相干受激辐射,必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡,激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的,通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜,而出光面镀上减反膜。对F—p腔(法布里一珀罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P—n结平面相垂直的自然解理面一[110]面构成F—P腔。

 

3、为了形成稳定振荡,激光媒质必须能提供足够大的增益,以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗,不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入,即有足够的粒子数反转,粒子数反转程度越高,得到的增益就越大,即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值时,具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大,最后形成激光而连续地输出。

 

可见在半导体激光器中,电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。对于新型半导体激光器而言,人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪,科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点,而GaInN量子点已用于半导体激光器。另外,科学家也已经做出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器,这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能带更低一级状态的跃迁,由于只有导带中的电子参与这种过程,因此它是单极性器件。

 

技术发展 应用领域延伸

随着半导体技术的不断深入发展,市场需求不断转向。半导体激光器应用领域也不断发生变化。从最初的小功率设备,发展到目前的大功率设备,半导体激光器也从一些轻型加工领域向重型加工领域转移。

 

早在20世纪80年代的时候,半导体激光器还只是应用在光存储和一些小众应用。当时,光存储是半导体激光器行业的第一个大型应用。半导体激光器技术的不断创新,推动了注入数字多功能光盘(DVD)和蓝光光盘(BD)等光存储技术的发展。到了20世纪90年代,光网络成为了半导体激光器的主战场。再到后来的20世纪90年代,半导体激光器又成为通信网络的关键加工制造设备。

 

目前,半导体激光器最大的应用之处是作为光纤激光器和固体激光器的泵浦源。半导体激光器作为光纤激光器泵源的时候,通过提高单元功率能够从根本上简化泵浦系统的结构,和提高泵浦功率水平。随着光纤激光器和固体激光器对输出功率要求越来越高,对半导体泵浦源的功率也提出了更高的要求。

 

由于光束质量的限制,传统半导体激光器难以直接用于金属切割。近年来,随着半导体耦合技术的提高,以及新型合束技术的逐渐成熟,部分千瓦级以上的光纤输出的半导体激光器,也可以满足切割对光束质量的要求。另外,由于半导体激光器波长的多样性,短波长的半导体激光器的波长十分接近铝的波长吸收最大值。因此,在汽车工业中,大功率半导体激光非常适用于铝材汽车车身的焊接。目前,激光输出功率为2KW到6KW之间的半导体激光器,在汽车工业生产过程中已得到了广泛应用。

 

在材料直接加工领域,半导体激光器光束质量难以超越光纤激光器。但是在薄板焊接、切割应用方面,半导体激光器却很适用。高功率半导体激光器的发展使得许多重要的应用成为可能。这些激光器已经取代了许多传统技术,并且为我们带来了许多新的产品。

 

总体来说,由于技术不断发展,导致半导体激光器的应用领域不断在改变,这些改变目前仍在发生。总体而言,半导体激光器正向发射波长更短、发射功率更大的方向发展,以适应当前的市场需求。

 

常用的半导体激光器的应用

量子阱半导体大功率激光器在精密机械零件的激光加工方面有重要应用,同时也成为固体激光器最理想的、高效率泵浦光源。由于它的高效率、高可靠性和小型化的优点,导致了固体激光器的不断更新-在印刷业和医学领域,高功率半导体激光器也有应用。另外,如长波长激光器(1976年,人们用GaInAsP/lnP实现了长波长激光器)用于光通信,短波长激光器用于光盘读出。自从NaKamura实现了GatnN/QaN蓝光激光器,可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用,如cD播放器,DVD系统和高密度光存储器。可见光面发射激光器在光盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用,特别是红光、绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛。

 

蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机中。总之,可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源、光存贮的读出和写入,激光打印、激光印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器以及固体激光器的泵浦源等方面有着广泛的用途。量子级联激光的新型激光器应用于环境检测和医检领域。

 

另外,由于半导体激光器可以通过改变磁场或调节电流实现波长调谐,且已经可以获得线宽很窄的激光输出,因此利用半导体激光器可以进行高分辨光谱研究。可调谐激光器是深入研究物质结构而迅速发展的激光光谱学的重要工具。大功率中红外(3—5邮,)LD在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗121、自由空闻通信、大气监视和化学光谱学等方面有广泛的应用。

 

绿光到紫外光的垂直腔面发射器在光电子学中得到了广泛的应用,如超高密度、光存储。近场光学方案被认为是实现高密度光存储的重要手段。垂直腔面发射激光器还可用在全色平板显示、大面积发射、照明、光信号、光装饰、紫外光刻、激光加工和医疗等方面。