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一文了解半导体激光器的定义/工作原理/优点/缺点/应用

2020-08-31 15:21:00

激光是科幻小说里的东西：又大又重的盒子能产生炽热的光。如果你在实验室里见过一束普通的激光，你就会知道它是一种相当笨重的东西：通常大约和你的前臂一样长，相当重，相当热，能够产生非常强烈的光束。但如果激光有那么大，我们怎么能把它们用在像便携式CD播放机和手持条形码扫描仪这样的小东西上呢？答案是我们没有！这些东西使用一种非常不同的激光器，它和普通的LED（发光二极管）差不多大小（工作方式也差不多）。半导体激光器（也叫二极管激光器或注入激光器）是由罗伯特·n·霍尔在20世纪60年代早期开发出来的，主要因为它们体积小，价格便宜，现在是世界上使用最广泛的激光器。

你有可能在最近几天已使用过半导体激光器，只是你自己不知道是半导体激光器。如果您已经看过DVD，那么您就可以“浏览”其中的DVD。如果您去过一家杂货店，并且有条码商品刷过与您一起购买的结帐单；如果您已经通过光纤电缆打了长途电话，那么您已经“通话”了；如果您使用激光打印机进行过打印，则您的打印输出已经非常接近了。半导体激光器可以发出强大而精确的光束（就像普通激光器一样），但是它们的尺寸与简单的LED（在电子仪表板上看到的小彩色灯）大小相同。

如果您已经阅读了有关二极管的文章，您将已经知道LED的工作原理。本质上，LED是一种半导体三明治，其“面包”由两种不同类型的经过处理的硅切片制成，称为p型（富含“空穴”，换句话说，就是略微缺少电子，里面有微小的带负电荷的颗粒）原子）和n型（电子略多）。将两个切片放在一起，就可以制造出具有各种有趣特性的所谓的p-n结二极管。

在普通的二极管中，p-n结的工作就像一个旋转栅，它仅允许电流沿一个方向流动（称为正向偏置操作）。当电子流过该势垒时，它们与另一侧的空穴结合，并以声子（声音振动）的形式发出能量，这些能量消失在硅晶体中。在LED中，发生的过程大致相同，但是能量的发出不是声子，而是光子-可见光包。

照片：此照片左下方的小圆圈是CD播放器中的半导体激光二极管。右上角较大的蓝色圆圈是镜头，可读取从CD反射回来的反射光。切勿试图看CD播放器中的激光：您很容易蒙蔽自己。

半导体激光器

定义：

它是专门制造的pn结二极管。当该二极管正向偏置时，它会发出激光。

原理：

当pn结二极管被正向偏置时，来自n-区的电子和来自p-区的空穴穿过结并彼此复合。

在重组过程中，光辐射（光子）从某些特定的直接带隙半导体（如Ga-As）中释放出来。这种光辐射被称为复合辐射。

重组过程中发出的光子会刺激其他电子和空穴复合。结果，发生了产生激光的受激发射。

施工：

活性介质是由砷化镓单晶制成的pn结二极管。将该晶体切割成厚度为0.5μmm的盘状。

血小板由具有电子传导性（n型）和空穴传导性（p型）的两部分组成。

在非常薄的PN结层（约几微米）中激发光子发射。电压通过固定在上表面上的电极施加到晶体上。

结型二极管的端面抛光良好且彼此平行。它们充当光谐振器，发出的光通过光谐振器发出。

加工：

当PN结被施加较大的施加电压正向偏置时，电子和空穴将以相当大的浓度注入结区

结周围的区域在导带中包含大量电子，在价带中包含大量空穴。

如果人口密度高，则可以实现人口反转的条件。电子和空穴彼此复合，并且这种复合产生光形式的辐射。

当正向偏置电压增加时，会发射出越来越多的光子，并且光的产生会立即变强。这些光子将触发刺激的重组链，导致光子同相释放。

在结平面处移动的光子通过在彼此平行且相对的两侧之间的反射来回传播，并增强强度。

获得足够的强度后，它发出波长为8400 o A的激光束。激光的波长为

其中E g是焦耳中的带隙能量。

特点：

1.类型：固态半导体激光器。

2.活性介质：由砷化镓单晶制成的PN结二极管用作活性介质。

3.抽水方式：直接转换方式用于抽水

4.功率输出：该激光器的功率输出为1mW。

5.输出的性质：输出的性质是连续波或脉冲输出。

6.输出的波长：砷化镓激光给出红外辐射的波长8300至8500 Ò 甲。

优点：

1.尺寸很小。布置简单紧凑。

2.效率高。

3.通过控制结电流可以轻松增加激光输出

4.与红宝石和CO 2激光器相比，其功率更低。

5.它几乎不需要辅助设备

6.它可以具有连续波输出或脉冲输出。

缺点：

1.难以控制激光器的模式图案和模式结构。

2.输出通常为5度到15度，即激光束发散大。

3.纯度和单色度比其他类型的激光强大

4.阈值电流密度非常大（400A / mm 2）。

5.一致性和稳定性差。

应用：

1.广泛用于光纤通信

2.用于红外线治疗伤口

3. 它也用作止痛药

4. 用于激光打印机和CD的读写。

半导体激光器如何发光

在激光二极管中，我们采取了进一步行动，以使发出的光更纯净，更强大。代替使用硅作为半导体，我们使用不同的材料，特别是铝和砷化镓的合金（磷化砷化铟镓是另一种流行的选择）。电子被注入到二极管中，它们与空穴结合，它们的一些多余能量被转换成光子，与更多的入射电子相互作用，从而帮助产生更多的光子，以此类推，这种自我延续的过程称为共振。输入电子到输出光子的这种重复转换类似于在传统的基于气体的激光器中发生的受激发射过程。

艺术品：激光二极管的基本设置。当电子和光子在以类似于常规结型二极管或LED的方式排列的p-n结中相互作用时，会产生激光。二极管的一端被抛光，因此激光可以从二极管中射出。另一端留有粗糙，以帮助限制光线。

在常规激光器中，通过在两个反射镜之间反复“泵浦”从原子发射的光来产生集中光束。在激光二极管中，当光子在p型和n型半导体切片之间的微观结点（大约1微米宽）中来回反弹时，会发生等效过程，这在技术上称为Fabry-Perot谐振腔（一种干涉仪）。最终，放大的激光从间隙的抛光端以平行于结的光束射出。从那里开始，它可以继续从CD上读取音乐，扫描玉米片的价格，打印出大学论文或做其他一千件事！

堆叠式激光二极管

早期的激光二极管只能发射单个相对较弱的光束，但是精巧的电子工程师很快就找到了使它们更强大的方法。自1990年代以来，一种常见的方法是将多个激光二极管相互叠置（如公寓楼），然后使用准直仪和/或透镜将其单个光束聚焦为单个输出光束。这种布置被不同地称为半导体激光器堆叠，堆叠的激光二极管或仅称为二极管堆叠。除了产生比单个激光二极管更大的功率之外，堆栈还提供了同时产生多个不同波长的可能性（因为堆栈中的每个激光器可以产生不同的波长）。而不是单个P-N结，而是多个结，并且激光束从它们之间的有源层发出。通常，在堆叠的层之间也至少有一个隧道结。一对端子（有时称为欧姆接触）将电能提供给整个电池组。

艺术品：一个简单的堆叠式激光二极管，包括两个二极管激光器，一个位于另一个顶部，并且由砷化铝镓镓的掺杂层制成。端子（欧姆接触）的顶部和底部显示为灰色，基板（基材）为绿色，P型层显示为蓝色，N型层显示为红色。隧道结标记为J2。由美国专利和商标局提供的艺术作品，来自美国专利号5，212，706：1993年5月18日，康涅狄格大学的Faquir C. Jain提出的具有隧道结并提供多光束的激光二极管组件。

1. 半导体激光器的光发射

半导体激光器（LD）是一种通过将电流注入半导体而引起激光振荡的装置。发光的机理与发光二极管（LED）相同。光是通过将正向电流流动到p-n结而产生的。正偏置操作时，p型层与正极连接，n型层与负极连接，电子从n型层进入，空穴从p型层进入。当两者在交界处相遇时，一个电子落入一个空穴，同时发出光。

2. 半导体激光器的基本结构

半导体激光器的基本结构。有源层（光发射层）夹在p型和n型复合层（双异质结构）之间，形成在n型衬底上，从电极向p-n结施加电压。活动层的两边都有镜面。当施加正向电压时，电子在p-n结处与空穴结合，并对光产生影响。这种光还不是激光;由于复层的折射率比有源层的折射率低，它被限制在有源层内。此外，活动层的两端作为一个反射镜，光在活动层往复。然后，光被激发发射过程放大，产生激光振荡。

3.半导体激光器类型

半导体激光器的中心波长主要取决于有源层半导体的带隙能量。然而，在带隙能量相同的情况下，激光光谱的细节因LD类型的不同而不同。

法布里-珀罗半导体激光器

这种激光器具有最简单的结构，可用于许多应用，包括cd、dvd和BDs的光学拾取;激光打印机;以及光纤激光器的激发。它的特点是利用激光晶体的解理面来反射有源层中发射的光，如图1所示。晶体的解理面极其光滑，可用作反射镜。由于Fabry perot-LD没有选择特定振荡波长的机制，因此多激光器振荡在增益带宽范围内发生。在光纤传输中，多波长的振荡会导致脉冲展宽，因此不能应用于长距离通信。

（2） DFB半导体激光器

DFB激光器（分布式反馈激光器）在有源层下面或上面有一个光栅，在光栅的布拉格波长所确定的单波长处振荡。图3演示了结构大纲。它具有较窄的光谱宽度和较低的噪声等优越性能，可用于长途光通信中作为光信号源。

（3） FBG波长稳定半导体激光器

DFB激光器具有单波长振荡的优良性能，但制造难度大，成本高。用光纤光栅稳定单波长的激光二极管是一种更经济的单波长振荡激光器。在这种情况下，激光腔由有源层的HR涂层端面和低反射率的光纤光栅组成。只画出了纤芯。所述有源层的另一端和所述光纤的入射端均有AR涂层，以防止反射光。此外，光纤的入射端被加工成透镜配置以收集光。由于在光纤芯内形成的光纤光栅只反射一个特定波长，因此会发生单波长振荡。

半导体激光应用实例

半导体激光器通过利用包括直线度，小发射点尺寸（几个um），单色性，高光密度和相干性的特性而被用于各种应用。

最近，半导体激光器已应用于运动感测，HDD热辅助磁记录和照明（投影仪和前照灯）。
责任编辑：tzh

工作原理操作另一侧半导体