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1儀器簡介

半導體激光器是以一定的半導體材料做工作物質而產生激光的器件。工作原理是通過一定的激勵方式，在半導體物質的能帶（導帶與價帶）之間，或者半導體物質的能帶與雜質（受主或施主）能級之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉，當處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)的大量電子與空穴復合時，便產生受激發(fā)射作用。半導體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵式。電注入式半導體激光器，一般是由砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等材料制成的半導體面結型二極管，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結平面區(qū)域產生受激發(fā)射。光泵式半導體激光器，一般用N型或P型半導體單晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物質，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵。高能電子束激勵式半導體激光器，一般也是用N型或者P型半導體單晶（如PbS,CdS,ZhO等）做工作物質，通過由外部注入高能電子束進行激勵。在半導體激光器件中，性能較好，應用較廣的是具有雙異質結構的電注入式GaAs二極管激光器。

2激光器

半導體激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激發(fā)，在1970年實現(xiàn)室溫下連續(xù)輸出。后來經過改良，開發(fā)出雙異質接合型激光及條紋型構造的激光二極管（Laser diode）等，廣泛使用于光纖通信、光盤、激光打印機、激光掃描器、激光指示器（激光筆），是目前生產量大的激光器。
激光二極體的優(yōu)點有：效率高、體積小、重量輕且價格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也達到數(shù)%~25%，總而言之能量效率高是其大特色。另外，它的連續(xù)輸出波長涵蓋了紅外線到可見光范圍，而光脈沖輸出達50W（脈寬100ns）等級的產品也已商業(yè)化，作為激光雷達或激發(fā)光源可說是非常容易使用的激光的例子。

3工作原理

根據(jù)固體的能帶理論，半導體材料中電子的能級形成能帶。高能量的為導帶，低能量的為價帶，兩帶被禁帶分開。引入半導體的非平衡電子-空穴對復合時，把釋放的能量以發(fā)光形式輻射出去，這就是載流子的復合發(fā)光。

一般所用的半導體材料有兩大類，直接帶隙材料和間接帶隙材料，其中直接帶隙半導體材料如GaAs（砷化鎵）比間接帶隙半導體材料如Si有高得多的輻射躍遷幾率，發(fā)光效率也高得多。

半導體復合發(fā)光達到受激發(fā)射（即產生激光）的必要條件是：①粒子數(shù)反轉分布分別從P型側和n型側注入到有源區(qū)的載流子密度十分高時，占據(jù)導帶電子態(tài)的電子數(shù)超過占據(jù)價帶電子態(tài)的電子數(shù)，就形成了粒子數(shù)反轉分布。②光的諧振腔在半導體激光器中，諧振腔由其兩端的鏡面組成，稱為法布里一珀羅腔。③高增益用以補償光損耗。諧振腔的光損耗主要是從反射面向外發(fā)射的損耗和介質的光吸收。

半導體激光器是依靠注入載流子工作的，發(fā)射激光必須具備三個基本條件：
（1）要產生足夠的 粒子數(shù)反轉分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)；
（2）有一個合適的諧振腔能夠起到反饋作用，使受激輻射光子增生，從而產生激光震蕩；
（3）要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。
半導體激光器工作原理是激勵方式，利用半導體物質（即利用電子）在能帶間躍遷發(fā)光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產生光的輻射放大，輸出激光。
半導體激光器優(yōu)點：體積小、重量輕、運轉可靠、耗電少、效率高等。

4封裝技術

技術介紹

半導體激光器封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上發(fā)展與演變而來的，但卻有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內，封裝的作用主要是保護管芯和完成電氣互連。而半導體激光器封裝則是完成輸出電信號，保護管芯正常工作，輸出：可見光的功能，既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設計及技術要求，無法簡單地將分立器件的封裝用于半導體激光器。

發(fā)光部分

半導體激光器的核心發(fā)光部分是由p型和n型半導體構成的pn結管芯，當注入pn結的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時，就會發(fā)出可見光，紫外光或近紅外光。但pn結區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個方向發(fā)射有相同的幾率，因此，并不是管芯產生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導體材料質量、管芯結構及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料，應用要求提高半導體激光器的內、外部量子效率。常規(guī)Φ5mm型半導體激光器封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結或燒結在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲，鍵合為內引線與一條管腳相連，負極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護管芯等不受外界侵蝕；采用不同的形狀和材料性質（摻或不摻散色劑），起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發(fā)散角；管芯折射率與空氣折射率相關太大，致使管芯內部的全反射臨界角很小，其有源層產生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內部經多次反射而被吸收，易發(fā)生全反射導致過多光損失，選用相應折射率的環(huán)氧樹脂作過渡，提高管芯的光出射效率。用作構成管殼的環(huán)氧樹脂須具有耐濕性，絕緣性，機械強度，對管芯發(fā)出光的折射率和透射率高。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強度的角分布也與管芯結構、光輸出方式、封裝透鏡所用材質和形狀有關。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集中到半導體激光器的軸線方向，相應的視角較??；如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型，其相應視角將增大。

驅動電流

一般情況下，半導體激光器的發(fā)光波長隨溫度變化為0.2-0.3nm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，當正向電流流經pn結，發(fā)熱性損耗使結區(qū)產生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，半導體激光器的發(fā)光強度會相應地減少1%左右，封裝散熱；時保持色純度與發(fā)光強度非常重要，以往多采用減少其驅動電流的辦法，降低結溫，多數(shù)半導體激光器的驅動電流限制在20mA左右。但是，半導體激光器的光輸出會隨電流的增大而增加，很多功率型半導體激光器的驅動電流可以達到70mA、100mA甚至1*，需要改進封裝結構，全新的半導體激光器封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術，改善熱特性。例如，采用大面積芯片倒裝結構，選用導熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應用設計中，PCB線路板等的熱設計、導熱性能也十分重要。

進入21世紀后，半導體激光器的化、超高亮度化、全色化不斷發(fā)展創(chuàng)新，紅、橙半導體激光器光效已達到100Im/W，綠半導體激光器為501m/W，單只半導體激光器的光通量也達到數(shù)十Im。半導體激光器芯片和封裝不再沿龔傳統(tǒng)的設計理念與制造生產模式，在增加芯片的光輸出方面，研發(fā)不僅于改變材料內雜質數(shù)量，晶格缺陷和位錯來提高內部效率，同時，如何改善管芯及封裝內部結構，增強半導體激光器內部產生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優(yōu)化設計，改進光學性能，加速表面貼裝化SMD進程更是產業(yè)界研發(fā)的主流方向。

5決定因素

半導體光電器件的工作波長是和制作器件所用的半導體材料的種類相關的。半導體材料中存在著導帶和價帶，導帶上面可以讓電子自由運動，而價帶下面可以讓空穴自由運動，導帶和價帶之間隔著一條禁帶，當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中去時，就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導帶跳回價帶，又可以把電的能量變成光，這時材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長。材料科學的發(fā)展使我們能采用能帶工程對半導體材料的能帶進行各種精巧的裁剪，使之能滿足我們的各種需要并為我們做更多的事情，也能使半導體光電器件的工作波長突破材料禁帶寬度的限制擴展到更寬的范圍。

6損耗關系

激光器的腔體可以有諧振腔和外腔之分。在諧振腔里，激光器的損耗有很多種類，比如偏折損耗，法布里珀羅諧振腔就有較大偏折損耗，而共焦腔的偏折損耗較小，適合于小功率連續(xù)輸出激光，還比如反轉粒子的*躍遷損耗（這類損耗可以歸為白噪聲）等等之類的，都是腔長長損耗大。激光器閾值電流不過就是能讓激光器起振的電流，諧振腔長短的不同可以使得閾值電流有所不同，半導體激光器中，像邊發(fā)射激光器腔長較長，閾值電流相對較大，而垂直腔面發(fā)射激光器腔長極短，閾值電流就非常低了。這些都不是一兩句話可以說的清楚的，它們各自的速率方程也都不同，不是一兩個式子能解釋的。另外諧振腔長度不同也可以達到選模的作用，即輸出激光的頻率不同。

7發(fā)展概況

簡介

半導體激光器又稱激光二極管（LD）。進入八十年代，人們吸收了半導體物理發(fā)展的新成果，采用了量子阱（QW）和應變量子阱（SL-QW）等新穎性結構，引進了折射率調制Bragg發(fā)射器以及增強調制Bragg發(fā)射器新技術，同時還發(fā)展了MBE、MOCVD及CBE等晶體生長技術新工藝，使得新的外延生長工藝能夠地控制晶體生長，達到原子層厚度的精度，生長出量子阱以及應變量子阱材料。于是，制作出的LD，其閾值電流顯著下降，轉換效率大幅度提高，輸出功率成倍增長，使用壽命也明顯加長。

小功率

用于信息技術領域的小功率LD發(fā)展極快。例如用于光纖通信及光交換系統(tǒng)的分布反饋（DFB）和動態(tài)單模LD、窄線寬可調諧DFB-LD、用于光盤等信息處理技術領域的可見光波長（如波長為670nm、650nm、630nm的紅光到藍綠光）LD、量子阱面發(fā)射激光器以及超短脈沖LD等都得到實質性發(fā)展。這些器件的發(fā)展特征是：單頻窄線寬、高速率、可調諧以及短波長化和光電單片集成化等。

高功率

1983年，波長800nm的單個LD輸出功率已超過100mW，到了1989年，0.1mm條寬的LD則達到3.7W的連續(xù)輸出，而1cm線陣LD已達到76W輸出，轉換效率達39%。1992年，美國人又把指標提高到一個新水平：1cm線陣LD連續(xù)波輸出功率達121W，轉換效率為45%。輸出功率為120W、1500W、3kW等諸多高功率LD均已面世。率、高功率LD及其列陣的迅速發(fā)展也為全固化激光器，亦即半導體激光泵浦（LDP）的固體激光器的迅猛發(fā)展提供了強有力的條件。

為適應EDFA和EDFL等需要，波長980nm的大功率LD也有很大發(fā)展。配合光纖Bragg光柵作選頻濾波，大幅度改善其輸出穩(wěn)定性，泵浦效率也得到有效提高。

8產品分類

（1）異質結構激光器
（2）條形結構激光器
（3）GaAIAs/GaAs激光器
（4）InGaAsP/InP激光器
（5）可見光激光器
（6）遠紅外激光器
（7）動態(tài)單模激光器
（8）分布反饋激光器
（9）量子阱激光器
（10）表面發(fā)射激光器
（11）微腔激光器

應用介紹

半導體激光器是成熟較早、進展較快的一類激光器，由于它的波長范圍寬，制作簡單、成本低、易于大量生產，并且由于體積小、重量輕、壽命長，因此，品種發(fā)展快，應用范圍廣，已超過300種，半導體激光器的主要應用領域是Gb局域網，850nm波長的半導體激光器適用于）1Gh/。局域網，1300nm -1550nm波長的半導體激光器適用于1OGb局域網系統(tǒng)。半導體激光器的應用范圍覆蓋了整個光電子學領域，已成為當今光電子科學的核心技術。半導體激光器在激光測距、激光雷達、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面獲得了廣泛的應用，形成了廣闊的市場。1978年，半導體激光器開始應用于光纖通信系統(tǒng)，半導體激光器可以作為光纖通信的光源和指示器以及通過大規(guī)模集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng)。由于半導體激光器有著超小型、率和高速工作的優(yōu)異特點，所以這類器件的發(fā)展，一開始就和光通信技術緊密結合在一起，它在光通信、光變換、光互連、并行光波系統(tǒng)、光信息處理和光存貯、光計算機外部設備的光禍合等方面有重要用途。半導體激光器的問世極大地推動了信息光電子技術的發(fā)展，到如今，它是當前光通信領域中發(fā)展快、為重要的激光光纖通信的重要光源。半導體激光器再加上低損耗光纖，對光纖通信產生了重大影響，并加速了它的發(fā)展。因此可以說，沒有半導體激光器的出現(xiàn)，就沒有當今的光通信。GaAs/GaAlA。雙異質結激光器是光纖通信和大氣通信的重要光源，如今，凡是長距離、大容量的光信息傳輸系統(tǒng)無不都采用分布反饋式半導體激光器（DFB一LD）。半導體激光器也廣泛地應用于光盤技術中，光盤技術是集計算技術、激光技術和數(shù)字通信技術于一體的綜合性技術。是大容t高密度、快速有效和低成本的信息存儲手段，它需要半導體激光器產生的光束將信息寫人和讀出。

常用器件

下面我們具體來看看幾種常用的半導體激光器的應用：
量子阱半導體大功率激光器在精密機械零件的激光加工方面有重要應用，同時也成為固體激光器理想的、率泵浦光源 由于它的率、高可*性和小型化的優(yōu)點，導致了固體激光器的不斷更新。

在印刷業(yè)和醫(yī)學領域，高功率半導體激光器也有應用。另外，如長波長激光器（1976年，人們用Ga[nAsP/InP實現(xiàn)了長波長激光器）用于光通信，短波長激光器用于光盤讀出。自從NaKamuxa實現(xiàn)了GaInN/GaN藍光激光器，可見光半導體激光器在光盤系統(tǒng)中得到了廣泛應用，如CD播放器，DVD系統(tǒng)和高密度光存儲器可見光面發(fā)射激光器在光盤、打印機、顯示器中都有著很重要的應用，特別是紅光、綠光和藍光面發(fā)射激光器的應用更廣泛。藍綠光半導體激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息讀寫、深水探測及應用于大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視機中?？傊?，可見光半導體激光器在用作彩色顯示器光源、光存貯的讀出和寫人，激光打印、激光印刷、高密度光盤存儲系統(tǒng)、條碼讀出器以及固體激光器的泵浦源等方面有著廣泛的用途。量子級聯(lián)激光的新型激光器應用于環(huán)境檢測和醫(yī)檢領域。另外，由于半導體激光器可以通過改變磁場或調節(jié)電流實現(xiàn)波長調諧，且已經可以獲得線寬很窄的激光輸出，因此利用半導體激光器可以進行高分辨光譜研究?？烧{諧激光器是深入研究物質結構而迅速發(fā)展的激光光譜學的重要工具大功率中紅外（3.5lm）LD在紅外對抗、紅外照明、激光雷達、大氣窗口、自由空間通信、大氣監(jiān)視和化學光譜學等方面有廣泛的應用。

綠光到紫外光的垂直腔面發(fā)射器在光電子學中得到了廣泛的應用，如超高密度、光存儲。近場光學方案被認為是實現(xiàn)高密度光存儲的重要手段。垂直腔面發(fā)射激光器還可用在全色平板顯示、大面積發(fā)射、照明、光信號、光裝飾、紫外光刻、激光加工和醫(yī)療等方面I2）、如前所述，半導體激光器自20世紀80年代初以來，由于取得了DFB動態(tài)單縱模激光器的研制成功和實用化，量子阱和應變層量子阱激光器的出現(xiàn)，大功率激光器及其列陣的進展，可見光激光器的研制成功，面發(fā)射激光器的實現(xiàn)、單極性注人半導體激光器的研制等等一系列的重大突破，半導體激光器的應用越來越廣泛，半導體激光器已成為激光產業(yè)的主要組成部分，已成為各國發(fā)展信息、通信、家電產業(yè)及軍事裝備*的重要基礎器件。

半導體激光器在半導體激光打標機中的應用：
半導體激光器因其使用壽命長、激光利用效率高、熱能量比YAG激光器小、體積小、性價比高、用電省等一系列優(yōu)勢而成為2010年熱賣產品，e網激光生產的國產半導體激光器的出現(xiàn)，加速了以半導體激光器為主要耗材的半導體激光機取代YAG激光打標機*的步伐。

9發(fā)展過程

綜述

半導體物理學的迅速發(fā)展及隨之而來的晶體管的發(fā)明，使科學家們早在50年代就設想發(fā)明半導體激光器，60年代早期，很多小組競相進行這方面的研究。在理論分析方面，以莫斯科列別捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作為杰出。

早期研究

在1962年7月召開的固體器件研究國際會議上，美國麻省理工學院林肯實驗室的兩名學者克耶斯（Keyes）
[半導體激光器] 半導體激光器
和奎斯特（Quist）報告了砷化鎵材料的光發(fā)射現(xiàn)象，這引起通用電氣研究實驗室工程師哈爾（Hall）的極大興趣，在會后回家的火車上他寫下了有關數(shù)據(jù)?；氐郊液螅柫⒓粗贫搜兄瓢雽w激光器的計劃，并與其他研究人員一道，經數(shù)周奮斗，他們的計劃獲得成功。
像晶體二極管一樣，半導體激光器也以材料的p-n結特性為基礎，且外觀亦與前者類似，因此，半導體激光器常被稱為二極管激光器或激光二極管。

制造器件

早期的激光二極管有很多實際限制，例如，只能在77K低溫下以微秒脈沖工作，過了8年多時間，才由貝爾實驗室和列寧格勒（圣彼得堡）約飛（Ioffe）物理研究所制造出能在室溫下工作的連續(xù)器件。而足夠可靠的半導體激光器則直到70年代中期才出現(xiàn)。

半導體激光器體積非常小，小的只有米粒那樣大。工作波長依賴于激光材料，一般為0.6～1.55微米，由于多種應用的需要，更短波長的器件在發(fā)展中。據(jù)報導，以Ⅱ～Ⅳ價元素的化合物，如ZnSe為工作物質的激光器，低溫下已得到0.46微米的輸出，而波長0.50～0.51微米的室溫連續(xù)器件輸出功率已達10毫瓦以上。但迄今尚未實現(xiàn)商品化。

光纖通信是半導體激光可預見的重要的應用領域，一方面是世界范圍的遠距離海底光纖通信，另一方面則是各種地區(qū)網。后者包括高速計算機網、航空電子系統(tǒng)、衛(wèi)生通訊網、高清晰度閉路電視網等。但就而言，激光唱機是這類器件的大市場。其他應用包括高速打印、自由空間光通信、固體激光泵浦源、激光指示，及各種醫(yī)療應用等。
20世紀60年代初期的半導體激光器是同質結型激光器，它是在一種材料上制作的pn結二極管在正向大電流注人下，電子不斷地向p區(qū)注人，空穴不斷地向n區(qū)注人.于是，在原來的pn結耗盡區(qū)內實現(xiàn)了載流子分布的反轉，由于電子的遷移速度比空穴的遷移速度快，在有源區(qū)發(fā)生輻射、復合，發(fā)射出熒光，在一定的條件下發(fā)生激光，這是一種只能以脈沖形式工作的半導體激光器。

第二階段

半導體激光器發(fā)展的第二階段是異質結構半導體激光器，它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層，如GaAs,GaAlAs所組成，先出現(xiàn)的是單異質結構激光器（1969年）。單異質結注人型激光器（SHLD）是利用異質結提供的勢壘把注入電子限制在GaAsP一N結的P區(qū)之內，以此來降低閥值電流密度，其數(shù)值比同質結激光器降低了一個數(shù)量級，但單異質結激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作。

1970年，實現(xiàn)了激光波長為9000&Aring：室溫連續(xù)工作的雙異質結GaAs-GaAlAs（砷化鎵一鎵鋁砷）激光器。雙異質結激光器（DHL）的誕生使可用波段不斷拓寬，線寬和調諧性能逐步提高。其結構的特點是在P型和n型材料之間生長了僅有0. 2 Eam厚，不摻雜的，具有較窄能隙材料的一個薄層，因此注人的載流子被限制在該區(qū)域內（有源區(qū)），因而注人較少的電流就可以實現(xiàn)載流子數(shù)的反轉。在半導體激光器件中，比較成熟、性能較好、應用較廣的是具有雙異質結構的電注人式GaAs二極管激光器。

隨著異質結激光器的研究發(fā)展，人們想到如果將超薄膜（< 20nm）的半導體層作為激光器的激括層，以致于能夠產生量子效應，結果會是怎么樣?再加之由于MBE,MOCVD技術的成就。于是，在1978年出現(xiàn)了世界上只半導體量子阱激光器（QWL），它大幅度地提高了半導體激光器的各種性能.后來，又由于MOCVD,MBE生長技術的成熟，能生長出高質量超精細薄層材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半導體激光器與雙異質結（DH）激光器相比，具有闌值電流低、輸出功率高，頻率響應好，光譜線窄和溫度穩(wěn)定性好和較高的電光轉換效率等許多優(yōu)點。

QWL在結構上的特點是它的有源區(qū)是由多個或單個阱寬約為100人的勢阱所組成，由于勢阱寬度小于材料中電子的德布羅意波的波長，產生了量子效應，連續(xù)的能帶分裂為子能級.因此，特別有利于載流子的有效填充，所需要的激射閱值電流特別低.半導體激光器的結構中應用的主要是單、多量子阱，單量子阱（SQW）激光器的結構基本上就是把普通雙異質結（DH）激光器的有源層厚度做成數(shù)十nm以下的一種激光器，通常把勢壘較厚以致于相鄰勢阱中電子波函數(shù)不發(fā)生交迭的周期結構稱為多量子阱（MQW ）.量子阱激光器單個輸出功率現(xiàn)已大于1w，承受的功率密度已達l OMW/cm3以上）而為了得到更大的輸出功率，通?？梢园言S多單個半導體激光器組合在一起形成半導體激光器列陣。因此，量子阱激光器當采用陣列式集成結構時，輸出功率則可達到l00w以上.高功率半導體激光器（特別是陣列器件）飛速發(fā)展，已經推出的產品有連續(xù)輸出功率5 W,10W,20W和30W的激光器陣列.脈沖工作的半導體激光器峰值輸出功率50w. 120W和1500W的陣列也已經商品化.一個4. 5 cm x 9cm的二維陣列，其峰值輸出功率已經超過45kW.峰值輸出功率為350kW的二維陣列也已間世。

發(fā)展方向

從20世紀70年代末開始，半導體激光器明顯向著兩個方向發(fā)展，一類是以傳遞信息為目的的信息型激光器。另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器。在泵浦固體激光器等應用的推動下，高功率半導體激光器（連續(xù)輸出功率在100W 以上，脈沖輸出功率在5W以上，均可稱之謂高功率半導體激光器）在20世紀90年代取得了突破性進展，其標志是半導體激光器的輸出功率顯著增加，國外千瓦級的高功率半導體激光器已經商品化，國內樣品器件輸出已達到600W[61。如果從激光波段的被擴展的角度來看，先是紅外半導體激光器，接著是670nm紅光半導體激光器大量進入應用，接著，波長為650nm,635nm的問世，藍綠光、藍光半導體激光器也相繼研制成功，10mw量級的紫光乃至紫外光半導體激光器，也在加緊研制中[a}為適應各種應用而發(fā)展起來的半導體激光器還有可調諧半導體激光器，電子束激勵半導體激光器以及作為“集成光路”的好光源的分布反饋激光器（DFB一LD），分布布喇格反射式激光器（DBR一LD）和集成雙波導激光器。另外，還有高功率無鋁激光器（從半導體激光器中除去鋁，以獲得更高輸出功率，更長壽命和更低造價的管子）、中紅外半導體激光器和量子級聯(lián)激光器等等。其中，可調諧半導體激光器是通過外加的電場、磁場、溫度、壓力、摻雜盆等改變激光的波長，可以很方便地對輸出光束進行調制。分布反饋（DF）式半導體激光器是伴隨光纖通信和集成光學回路的發(fā)展而出現(xiàn)的，它于1991年研制成功，分布反饋式半導體激光器*實現(xiàn)了單縱模運作，在相干技術領域中又開辟了巨大的應用前景它是一種無腔行波激光器，激光振蕩是由周期結構（或衍射光柵）形成光藕合提供的，不再由解理面構成的諧振腔來提供反饋，優(yōu)點是易于獲得單模單頻輸出，容易與纖維光纜、調制器等耦合，特別適宜作集成光路的光源。

單極性注入的半導體激光器是利用在導帶內（或價帶內）子能級間的熱電子光躍遷以實現(xiàn)受激光發(fā)射，自然要使導帶和價帶內存在子能級或子能帶，這就必須采用量子阱結構.單極性注入激光器能獲得大的光功率輸出，是一種商效率和超商速響應的半導體激光器，并對發(fā)展硅基激光器及短波激光器很有利。量子級聯(lián)激光器的發(fā)明大大簡化了在中紅外到遠紅外這樣寬波長范圍內產生特定波長激光的途徑.它只用同一種材料，根據(jù)層的厚度不同就能得到上述波長范圍內的各種波長的激光.同傳統(tǒng)半導體激光器相比，這種激光器不需冷卻系統(tǒng)，可以在室溫下穩(wěn)定操作.低維（量子線和量子點）激光器的研究發(fā)展也很快，日本okayama的GaInAsP/Inp長波長量子線（Qw+）激光器已做到9OkCW工作條件下Im =6.A,l =37A/cm2并有很高的量子效率.眾多科研單位正在研制自組裝量子點（QD）激光器，該QDLD已具有了高密度，高均勻性和高發(fā)射功率.由于實際需要，半導體激光器的發(fā)展主要是圍繞著降低闊值電流密度、延長工作壽命、實現(xiàn)室溫連續(xù)工作，以及獲得單模、單頻、窄線寬和發(fā)展各種不同激射波長的器件進行的。

面發(fā)射器

20世紀90年代出現(xiàn)并特別值得一提的是面發(fā)射激光器（SEL），早在1977年，人們就提出了所謂的面發(fā)射激光器，并于1979年做出了個器件，1987年做出了用光泵浦的780nm的面發(fā)射激光器。1998年GaInAIP/GaA。面發(fā)射激光器在室溫下達到亞毫安的網電流，8mW的輸出功率和11%的轉換效率[2）前面談到的半導體激光器，從腔體結構上來說，不論是F一P（法布里一泊羅）腔或是DBR（分布布拉格反射式）腔，激光輸出都是在水平方向，統(tǒng)稱為水平腔結構。它們都是沿著襯底片的平行方向出光的。而面發(fā)射激光器卻是在芯片上下表面鍍上反射膜構成了垂直方向的F一P腔，光輸出沿著垂直于襯底片的方向發(fā)出，垂直腔面發(fā)射半導體激光器（VCSELS）是一種新型的量子阱激光器，它的激射闊值電流低，輸出光的方向性好，藕合效率高，通過陣列化分布能得到相當強的光功率輸出，垂直腔面發(fā)射激光器已實現(xiàn)了工作溫度高達71℃。另外，垂直腔面發(fā)射激光器還具有兩個不穩(wěn)定的互相垂直的偏振橫模輸出，即x模和y模，對偏振開關和偏振雙穩(wěn)特性的研究也進入到了一個新階段，人們可以通過改變光反饋、光電反饋、光注入、注入電流等等因素實現(xiàn)對偏振態(tài)的控制，在光開關和光邏輯器件領域獲得新的進展。20世紀90年代末，面發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器得到了迅速的發(fā)展，且已考慮了在超并行光電子學中的多種應用。980mn,850nm和780nm的器件在光學系統(tǒng)中已經實用化。垂直腔面發(fā)射激光器已用于千兆位以太網的高速網絡。為了滿足21世紀信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量以及軍用裝備小型、高精度化等需要，半導體激光器的發(fā)展趨勢主要在高速寬帶LD、大功率ID，短波長LD，盆子線和量子點激光器、中紅外LD等方面。在這些方面取得了一系列重大的成果。

10其他資料

——朗訊科技公司下屬研發(fā)機構貝爾實驗室的科學家們成功研制出世界上*能夠在紅外波長光譜范圍內持續(xù)可*地發(fā)射光的新型半導體激光器。新設備克服了原有寬帶激光發(fā)射過程中存在的缺陷，在*光纖通信和感光化學探測器等領域有著廣闊的潛在應用。相關的制造技術可望成為未來用于光纖的高性能半導體激光器的基礎。

——有關新激光器性質的論文刊登2002年2月21日出版的《自然》雜志上。文章主要作者、貝爾實驗室物理學家Claire Gmachl斷言：“超寬帶半導體激光器可用來制造高度敏感的萬用探測器，以探測大氣中的細微污染痕跡，還可用于制造諸如呼吸分析儀等新的醫(yī)療診斷工具?！?/P>

——半導體激光器是一種非常方便的光源，具備緊湊、耐用、便攜和*等特點。然而，典型半導體激光器通常為窄帶設備，只能以*波長發(fā)出單色光。相比之下，超寬帶激光器具有顯著的優(yōu)勢，可以同時在更寬的光譜范圍內選取波長。制造出可在范圍廣泛的操作環(huán)境下可*運行的超寬帶激光器正是科學家們長久以來追求的一個目標。

——為了研制出新型的激光器，貝爾實驗室科學家們采用了650余種光子學中使用的標準半導體材料，并將其疊放在一起組成一個“多層三明治”。這些層面共分為36組，其中不同層面組在感光屬性方面有著細微的差別，并在*的短波長范圍內生成光，同時與其他各組之間保持透明。所有這些層面組結合在一起，就能發(fā)射出寬帶激光。

——新型激光器隸屬于一種稱為量子瀑布（QC）激光器的高性能半導體激光器。QC激光器由Federico Capasso和AlfredCho及其同事于1994年在貝爾實驗室發(fā)明，其操作過程非常類似于一道電子瀑布。當電流通過激光器時，電子瀑布將沿著能量階梯奔流而下；每當其撞擊一級階梯時，就會放射出紅外光子。這些紅外光子在包含電子瀑布的半導體共振器內前后反射，從而激發(fā)出其他光子。這一放大過程將產生出很高的輸出能量。

——超寬帶激光器可在6~8微米紅外波長范圍產生1.3瓦的峰值能量。Gmachl指出：“從理論上講，波長范圍可以更寬或更窄。選擇6~8微米范圍波長發(fā)射激光，目的是更令人信服地演示我們的想法。未來，我們可以根據(jù)諸如光纖應用等具體應用的特定需求量身定制激光器?！?/P>

11常用參數(shù)

半導體激光器的常用參數(shù)可分為：波長、閾值電流Ith 、工作電流Iop 、垂直發(fā)散角θ⊥、水平發(fā)散角θ∥、監(jiān)控電流Im。

（1）波長：即激光管工作波長，可作光電開關用的激光管波長有635nm、650nm、670nm、激光二極管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。
（2）閾值電流Ith ：即激光管開始產生激光振蕩的電流，對一般小功率激光管而言，其值約在數(shù)十毫安，具有應變多量子阱結構的激光管閾值電流可低至10mA以下。
（3）工作電流Iop ：即激光管達到額定輸出功率時的驅動電流，此值對于設計調試激光驅動電路較重要。
（4）垂直發(fā)散角θ⊥：激光二極管的發(fā)光帶在垂直PN結方向張開的角度，一般在15?~40?左右。
（5）水平發(fā)散角θ∥：激光二極管的發(fā)光帶在與PN結平行方向所張開的角度，一般在6?~ 10?左右。
（6）監(jiān)控電流Im ：即激光管在額定輸出功率時，在PIN管上流過的電流。
激光二極管在計算機上的光盤驅動器，激光打印機中的打印頭，條形碼掃描儀，激光測距、激光醫(yī)療，光通訊，激光指示等小功率光電設備中得到了廣泛的應用，在舞臺燈光、激光手術、激光焊接和激光武器等大功率設備中也得到了應用。

12工業(yè)

工業(yè)激光設備上用的半導體激光器一般為1064nm、532nm、355nm，功率從幾瓦到幾千瓦不等。一般在SMT模板切割、汽車鈑金切割、激光打標機上使用的是1064nm的，532nm適用于陶瓷加工、玻璃加工等領域，355nm紫外激光適用于覆蓋膜開窗、FPC切割、硅片切割與劃線、高頻微波電路板加工等領域。

13軍事

由于半導體激光器具有結構簡單、體積小、壽命較長、易于調制及價格低廉等優(yōu)點, 廣泛應用于軍事領域,如激光制導跟蹤、激光雷達、激光引信、光測距、激光通信電源、激光模擬武器、激光瞄準告警、激光通信和激光陀螺等。世界上的發(fā)達國家都非常重視大功率半導體激光器的研制及其在軍事上的應用。

半導體激光引信是一種光學引信, 屬主動式近炸引信的技術范疇。激光引信通過激光對目標進行探測, 對激光回波信息進行處理和計算, 判斷出目標, 計算出炸點, 在佳位置適時引爆。炸彈一旦未捕獲或丟失目標以及引信失靈后, 自炸機構可以引爆彈丸自毀。半導體激光引信是激光探測技術在武器系統(tǒng)中成功的應用。

激光制導：它使導彈在激光射束中飛行直至摧毀目標。
半導體激光制導已用于地-空導彈、空-空導彈、地-地導彈等。激光制導跟蹤在軍事上具有十分廣泛的應用。激光制導的方法之一是駕束制導, 又稱激光波束制導。從制導站的激光發(fā)射系統(tǒng)按一定規(guī)律向空間發(fā)射經編碼調制的激光束, 且光束中心線對準目標;在波束中飛行的導彈, 當其位置偏離波束中心時,裝在導彈尾部的激光接收器探測到激光信號, 經信息處理后, 彈上解算裝置計算出彈體偏離中心線的大小和方向, 形成控制信號; 再通過自動駕駛儀操縱導彈相應的機構, 使其沿著波束中心飛行, 直至摧毀目標為止。另一種激光制導方法是光纖制導。通過一根放出的光纖把傳感器的信息傳送到導彈控制器, 觀察所顯示的圖像并通過同一光纖往回發(fā)送控制指令,以達到控制操縱導彈的目的。

激光測距：主要用于反坦克武器以及航空、航天等領域。測距儀采用半導體激光器作光源具有隱蔽性,略加改進, 還可測量車輛之間的距離并進行數(shù)字顯示, 在低于所需安全系數(shù)時發(fā)出警報。半導體激光夜視儀和激光夜視監(jiān)測儀也得到重要應用。利用半導體激光器列陣主動式夜視儀的光源具隱蔽性, 列陣功率高的特點, 可提高監(jiān)測距離至1 km, 如配上掃描和圖像顯示裝置, 則可成為激光夜視監(jiān)測儀。用其對目標進行監(jiān)測時, 目標的活動情況可適時通過光纜傳送到指揮所。選擇較長的合適波長, 可成為全天候監(jiān)測儀。

激光雷達：與CO2 激光雷達相比, 半導體激光列陣的激光雷達體積小、結構簡單、波長短、精度高、具有多種成像功能及實時圖像處理功能, 包括各種成像的綜合、圖像跟蹤和目標的自動識別等。可用于監(jiān)測目標, 測量大氣水氣、云層、空氣污染; 還可用作飛機防撞雷達, 機載切變風探測相干光雷達, 對來襲目標定位以及對直升飛機和巡航導彈的地形跟蹤等。半導體激光雷達主要是波長820～850 nm 的LD 及列陣。

激光模擬：激光模擬主要是以半導體激光為基礎發(fā)展起來的新型軍訓和演習技術。通過調節(jié)激光射束、周期和范圍以達到模擬任何武器特征的目的。武器模擬主要使用904 nm 半導體激光器, 用對眼睛安全的激光器作為戰(zhàn)術訓練系統(tǒng)的基礎, 初稱為激光交戰(zhàn)系統(tǒng)（ LES） 。該系統(tǒng)的研制始于1973 年, 其可行性已得到了證實。1974 年引進了微處理機技術, 于是LES 發(fā)展成為多功能激光交戰(zhàn)系統(tǒng)（MILES） 。同年,賽羅克斯電光系統(tǒng)公司接受了全套MILES 工程的研制合同, 向陸軍提供8 萬多套裝備, 用于地面作戰(zhàn)模擬。此外, 該公司還研制了空對地作戰(zhàn)系統(tǒng)以及MILES 空防樣機。*有美、英、瑞（ 典） 三國出售MILESII/SAWE 系統(tǒng); 北約國家、以色列、阿根廷、俄羅斯、中國都在開發(fā)這種系統(tǒng)。

深海光通信：半導體激光器是一種理想光源, 具有抗干擾、保密性好等優(yōu)點。激光對潛通信光源藍綠光是海水的通信窗口（ 460～540 nm） , 穿透深度約300 ft, 潛艇可用藍綠光和衛(wèi)星或航空母艦進行通信聯(lián)絡。倍頻半導體高功率激光器列陣（ 波長在920～1080 nm） 就是一種這樣的光源。
半導體激光通信：半導體激光器在衛(wèi)星通信技術中只需要較小的望遠鏡和較低的發(fā)射功率, 就能實現(xiàn)光的自由空間傳輸并獲得*的數(shù)據(jù)率傳輸。激光通信技術可用于軌道衛(wèi)星間的相互通信及衛(wèi)星與地面站的通信。

14特性

laser diode是以半導體材料為工作物質的一類激光器件。除了具有激光器的共同特點外，還具有以下優(yōu)點：
　?。?） 體積小，重量輕；
       （2） 驅動功率和電流較低；
       （3） 效率高、工作壽命長；
       （4） 可直接電調制；
       （5） 易于與各種光電子器件實現(xiàn)光電子集成；
       （6） 與半導體制造技術兼容；可大批量生產。由于這些特點，半導體激光器自問世以來得到了世界各國的廣泛關注與研究。成為世界上發(fā)展快、應用廣泛、早走出實驗室實現(xiàn)商用化且產值大的一類激光器。經過40多年的發(fā)展，半導體激光器已經從初的低溫77K、脈沖運轉發(fā)展到室溫連續(xù)工作、工作波長從開始的紅外、紅光擴展到藍紫光；閾值電流由105 A/cm2量級降至102 A/cm2量級；工作電流小到亞mA量級；輸出功率從幾mW到陣列器件輸出功率達數(shù)kW；結構從同質結發(fā)展到單異質結、雙異質結、量子阱、量子阱陣列、分布反饋型、DFB、分布布拉格反射型、DBR等270多種形式。制作方法從擴散法發(fā)展到液相外延、LPE、氣相外延、VPE、金屬有機化合物淀積、MOCVD、分子束外延、MBE、化學束外延、CBE等多種制備工藝。