半导体激光器的发展及应用

半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。 

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，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后，哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功。 

像晶体二极管一样，半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础，且外观亦与前者类似，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。 

早期的激光二极管有很多实际，例如，只能在77K低温下以微秒脉冲工作，过了8年多时间，才由贝尔实验室和列宁格勒（现在的圣彼得堡）约飞（Ioffe）物理研究所制造出能在室温下工作的连续器件。而足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。 

半导体激光器体积非常小，最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料，一般为0.6～1.55微米，由于多种应用的需要，更短波长的器件在发展中。据报导，以Ⅱ～Ⅳ价元素的化合物，如ZnSe为工作物质的激光器，低温下已得到0.46微米的输出，而波长0.50～0.51微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。 

光纤通信是半导体激光可预见的最重要的应用领域，一方面是世界范围的远距离海底光纤通信，另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。但就目前而言，激光唱机是这类器件的最大市场。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示，及各种医疗应用等。

20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的pn结二极管在正向大电流注人下，电子不断地向p区注人，空穴不断地向n区注人。于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧光，在一定的条件下发生激光，这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。 

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G&As、GaAlAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969年)。单异质结注人型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子在GaAsP一N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。 

随着异质结激光器的研究发展，人们想到如果将超薄膜(<20nm)的半导体层作为激光器的激括层，以致于能够产生量子效应，结果会是怎么样？再加之由于MBE、MOCVD技术的成就，于是在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。后来，又由于MOCVD，MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具有阑值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。 

QWL在结构上的特点是它的有源区是由多个或单个阱宽约为100人的势阱所组成，由于势阱宽度小于材料中电子的德布罗意波的波长，产生了量子效应，连续的能带为子能级。因此，特别有利于载流子的有效填充，所需要的激射阅值电流特别低。半导体激光器的结构中应用的主要是单、多量子阱，单量子阱(SQW)激光器的结构基本上就是把普通双异质结(DH)激光器的有源层厚度做成数十nm以下的一种激光器，通常把势垒较厚以致于相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为多量子阱(MQW)。量子阱激光器单个输出功率现已大于1w，承受的功率密度已达lOMW/cm3以上，而为了得到更大的输出功率，通常可以把许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵。因此，量子阱激光器当采用阵列式集成结构时，输出功率则可达到l00w以上。近年来，高功率半导体激光器(特别是阵列器件)飞速发展，已经推出的产品有连续输出功率5W、1ow、20w和30W的激光器阵列。脉冲工作的半导体激光器峰值输出功率50w、12OW和150OW的阵列也已经商品化。一个4.5cm x 9cm的二维阵列，其峰值输出功率已经超过45BW，峰值输出功率为350KW的二维阵列也已间世。

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100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。

如果从激光波段的被扩展的角度来看，先是红外半导体激光器，接着是670nm红光半导体激光器大量进人应用，接着波长为650nm、635nm的问世，蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功，lomw量级的紫光乃至紫外光半导体激光器，也在加紧研制中。

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Ga[nAsP/InP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NaKamuxa实现了GaInN/GaN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、光存贮的读出和写人，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.可调谐激光器是深人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(3.5lm)LD在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗口、自由空间通信、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I2)、如前所述，半导体激光器自20世纪80年代初以来，由于取得了DFB动态单纵模激光器的研制成功和实用化，量子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的研制成功，面发射激光器的实现、单极性注人半导体激光器的研制等等一系列的重大突破，半导体激光器的应用越来越广泛，半导体激光器已成为激光产业的主要组成部分，目前已成为各国发展信息、通信、家电产业及军事装备不可缺少的重要基础器件. 

-----有关新激光器性质的论文刊登2002年2月21日出版的《自然》杂志上。文章主要作者、贝尔实验室物理学家Claire Gmachl断言：“超宽带半导体激光器可用来制造高度敏感的万用探测器，以探测大气中的细微污染痕迹，还可用于制造诸如呼吸分析仪等新的医疗诊断工具。” 

----半导体激光器是一种非常方便的光源，具备紧凑、耐用、便携和强大等特点。然而，典型半导体激光器通常为窄带设备，只能以特有波长发出单色光。相比之下，超宽带激光器具有显著的优势，可以同时在更宽的光谱范围内选取波长。制造出可在范围广泛的操作环境下可*运行的超宽带激光器正是科学家们长久以来追求的一个目标。 

----为了研制出新型的激光器，贝尔实验室科学家们采用了650余种光子学中使用的标准半导体材料，并将其叠放在一起组成一个“多层三明治”。这些层面共分为36组，其中不同层面组在感光属性方面有着细微的差别，并在特有的短波长范围内生成光，同时与其他各组之间保持透明. 所有这些层面组结合在一起，就能发射出宽带激光。 

----新型激光器隶属于一种称为量子瀑布（QC）激光器的高性能半导体激光器。QC激光器由Federico Capasso和AlfredCho及其同事于1994年在贝尔实验室发明，其操作过程非常类似于一道电子瀑布。当电流通过激光器时，电子瀑布将沿着能量阶梯奔流而下；每当其撞击一级阶梯时，就会放射出红外光子。这些红外光子在包含电子瀑布的半导体共振器内前后反射，从而激发出其他光子。这一放大过程将产生出很高的输出能量。 

----超宽带激光器可在6~8微米红外波长范围产生1.3瓦的峰值能量。Gmachl指出：“从理论上讲，波长范围可以更宽或更窄。选择6~8微米范围波长发射激光，目的是更令人信服地演示我们的想法。未来，我们可以根据诸如光纤应用等具体应用的特定需求量身定制激光器。”