半导体激光器的工作原理及应用.docx

1、半导体激光器的工作原理及应用半导体激光器的工作原理及应用 摘 要：半导体激光器产生激光的机理，即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。 关键词：受激辐射；光场；同质结；异质结；大功率半导体激光器 The working principle of semiconductor lasers and

2、applications ABSTRACT: The machanism of lasing by semiconductor laser,which requires set up specially designated reverse of beam of particles among energy stages,and appropriate optical syntonic coelenteronAs the specificity of structure from semiconductor and moving electrons.something interesting

3、happens.On the one hand,the specific process in producing lase,on the other hand,the beam of light has unique advantages。As the reasons above,we can easily found it all quartersof the society.From homojunction to heterojunction,from informatics to power,the advantages of laser are in evidence,the wi

4、de spectrum,the semiconductor open the epoch in the process of laser. Key worlds: stimulated radiation; optical field; homojunction; heterojunction; high-power semiconductor laser 0 前言 半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管 （LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高

5、能电子束激励式三种。半导体激光器从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作；从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式。半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。半导体激光器的体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用遍布临床、加工制造、军事，其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。1半导体激光器的工作原理 1.1 激光产生原理 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件： (1)增益条件：建立起激射媒质(有源区)载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是由一

6、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Fp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Pn结平面

7、相垂直的自然解理面一110面构成FP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

8、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。 1。2 半导体激光器的工作特性 1 阈值电流。 当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。影响阈值的几个因素： 4 （1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。 （2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。 （3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。目前，室温下同质结的阈

9、值电流大于30000A/cm2；单异质结约为8000A/cm2；双异质结约为1600A/cm2。现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。 （4）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。 2 方向性。 由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面，发散角最大，可达20-30；在结的水平面约为10左右。 3 效率。 量子效率 每秒发射的光子数每秒到达结区的电子空穴对数 77K时，GaAs激光器量子效率达7080；300K时，降到30左右。 功率效率1辐射的光功率加在激光器上的电功率 由于各种损耗，目前的

10、双异质结器件，室温时的1最高10，只有在低温下才能达到3040。 4 光谱特性。 由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带） 之间，所以激光线宽较宽，GaAs激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。输出激光的峰值波长：77K时为840nm；300K时为902nm。 2 同质结和异质结激光器 21 半导体激光器的发展历史 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。在正向大电流注入下，电子不断地向P区注入，空穴不断地向11区注入。于是，在原来的pn结耗尽区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，

11、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GaAs。GaAIAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969年)。单异质结注入型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsPN结的P区之，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。 5 1970年，实现了激光波长为9000A，室温连续工作的双异质结caAsGaAIAs(砷化镓一镓铝砷)激光器。双异质结激光器(DHL

12、)的诞生使可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，其结构的特点是在P型和n型材料之间生长了仅有0。2tt。m厚的，不掺杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注A。00载流 子被限制在该区域(有源区)，因而注人较少的电流就可以实现载流子数的反转。在半导体激光器件中。目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。 随着异质结激光器的研究发展，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

13、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，具有阈值电流低、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。 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100mw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，国样品器件输出

14、已达到600W【1】。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670hm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，l0mw量级的紫光乃至紫外光半导体激光器，也在加紧研制中【2】。 同质结和异质结半导体激光器性能对照（表） 7 图2 DH激光器的工作原理 ) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 3 半导体激光器的应用 半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用围广

15、，目前已超过300种。半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850hm波长的半导体激光器适用于1Ghs局域网，1300hm一1550nto波长的半导体激光器适用于10Gb局域网系统”1。半导体激光器的应用围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。 1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤 8 通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统。由于半导体激光器有着超小型、高效率和高

16、速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光耦合等方面有重要用途。半导体激光器的问世极推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。GaAsGaAIAs双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器(DFBLD)。半导体激光器也广泛

17、地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术。是大容量、高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写入和读出。 下面我们具体来看看几种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GaInAsPlnP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

18、了GatnNQaN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

19、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(35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 9 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。【5】 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

20、单纵模激光器的研制成功和实用化，最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、单极性注入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。 4 大功率激光器的最新进展 在过去几年，以条(以下简称bar)为基础的大功率半导体激光器(LD)在光输出功率和寿命两方面都取得了很大进展。仅仅在5年，单个市售LD的典型CW输出功率从20 W跃至50 w，典型的预期寿命由1000小时提高到10000小时。目前的最高记录是

21、：在一个1 cmbar上，一个980nm单片LD阵列的CW输出功率达267 W。所以，实现大功率的关键是开发bar和最近的多条组件(multibar module)即叠式半导体激光器(stack)。一个bar是由多个单独的半导体激光器组成的一个单片式线阵；一个stack则是由几个bar组成的一个二维阵列。最近进展最显著的是后者。 Bar的现行行业标准是器件宽度1 cm，CW输出功率50 w，寿命5000小时以上。功率最大的多条组件总功率超过30kW,这种器件的主要设计目标是在不影响bar本身固有的长寿命的情况下尽量提高输出功率和亮度。器件失效和性能恶化的两个主要原因是输出面因过热而烧毁和半导体

22、材料中所谓的暗线缺陷的传播。无 论是哪种半导体激光器，寿命都受工作温度的严重影响，这是因为降低工作温度使暗线缺陷的传播变慢。虽然半导体激光器是将电转变成激光的最有效的器件，但大功率不可避免地会产生大量的热。这要求bar须装有某种金属热沉，从而有效地用热电致冷器或凉水使器件致冷。在CW工作情况下，有效致冷一直是多条组件的主要设计考虑。迄今为止，致冷的方法是在bar之间用薄的铜热沉隔片，然后将此组件放在铜热沉上。于是冷却水就在bar的后面和周围流动，并通过主热沉。这种设计法形成”l。CW”的拇指关系定律，即将一个bar的输出功率提高IW，使这个bar的温度相对于热沉温度升高1。由于对冷却水的最低温

23、度有一个实际的限制(在干燥环境下约15)，所以对输出功率设置了一个极限。这对早期的半导体激光器来说，设计人员曾经面临工作寿命和输出功率之问的折衷问题。 1998年，美国光功率公司的工程技术人员采用微沟道致冷技术，突破了这个热10 梯度壁垒。单个bar之间用厚约1 mm的铜致冷板分隔，冷却水通过该板流动，这些空心板的空问通过薄的致冷叶片分隔成许多流动沟道，分隔距离为几百微 米。使与冷却水接触的金属的表面积达到最大。用这种方法，bar能以1。8mm的bar间间隔紧密堆叠，bar间温差仅为0。3例。这种结构设计能使1 cmbar构成的stack以每bar 50W CW工作，寿命仍为5,00010,0

24、00小时。例如，一个210 阵列能在仅4 cm2的总发光面上产生1 kW的功率。准CW器件的市场也在增长，这种半导体激光器特别适用于军事应用，如目标测距和模拟器照明。这类应用通常要求低的占空因数(最多百分之几)，以大幅度降低致冷要求和简化产品结构及 降低成本。在这类应用中，有多达16个bar堆叠在单个水冷热沉上，在单个bar之间不增加其他致冷元件。这种方法能使bar以每bar 100 W的峰值功率工作，占空因数达2，脉冲持续时间l ms或l ms以下。这种16个bar的stack的峰值输出功率为1。6 kW，典型工作寿命为10亿个以上脉冲。大功率半导体激光器的主要应用是用作Nd：YAG、Nd：

25、YLF和Nd：YV04固体激光器的808 nm泵浦源，取代大部分输出功率在100 W以下的钕激光器的灯泵浦。最近的性能进展导致好几种其他波长的大功率半导体激光器的应用急剧扩展，在印刷图示行业，830 nm器件现在广泛用于彩色胶印和数字直接到版打印。915 rim半导体激光器用作光纤激光器的泵浦源。与此相似，940nm激光器用来泵浦镱激光器。【6】 当然，用作掺铒光纤放大器泵浦源的980 nm器件的市场也在继续迅速发展。此外，1。7岬半导体激光器用于一些新的医疗和军事领域，包括目标照明和测距。波长较短的激光器也正在用于材料处理，如焊接、塑料焊、涂料剥离和打标等。 5 结论 本文首先介绍了半导体材

26、料产生激光所需满足的条件和工作特性，接着由半导体激光器的发展历程来进一步深入阐述，由同质结和异质结激光器的工作原理，其中主要列举了双异质结激光器的工作过程，从而对半导体激光器所产生激光为何具有独特的优势提供了理论依据。 由此及彼，半导体激光器在生活的方方面面都发挥了巨大作用，改善了我们的生活，尤其以大功率半导体激光器为例，它所具有的独特魅力，也将使其在国际国具有更为广阔的开发和应用前景。 由于知识水平的限制，对于半导体激光器的前景的发展还无法提出精确的理论依据，更多是从整体发展的思路来把握，今后要加强理论知识和实践水平的提升，从而为半导体激光器的使用和开发提供给为广阔的空间。20 lit纪60

27、年代初期的半泞体激光器是同质结型激光器，它是在一种树料上制作 的pn结一极竚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，在一义的 条件下发生激光，这是一种只能以脉冲形式T作的半疗体激光器.半妤体激光器 发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，仑是由两种不冋带隙的半 守体衬料薄层，如G&As, GaAIAs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限制在 GaAsP N结的P区

28、之，以此来降低阀值电流密度，其数值比问质结激光器 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T.作.1970年，实现了激光波长为9000A.室温连续工作的双异质结GaAu aA认。 (砷化稼一稼铝砷)激光器.双舁质结激光器(DHL)的诞生使可用波段不断拓宽，线 宽和调谐性能逐步提髙，其结构的特点是在P型和n稍材料之间生长了仅有0. 2 Earn厚的，不掺杂的，具有较窄能隙树料的一个薄层，闵此注人的载流子被限 制在该区域(有源区)，闵而注人较少的电流就可以实现载流子数的反转.在半疔 体激光器件中，0前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注 人式G&A。一极笆激光器.随着异

29、质结激光器的研究发展，人们想到如果将超薄 膜(20nm)的半圩体层作为激光器的激括层，以致于能够产生M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 111界 上第一只半导体萤子阱激光器(QWL)，它大幅度地提髙了半穿体激光器的外种性 能.后来，又由于MOCVD,MBE生长技术的成熟，能生长出髙质贵超精细薄层树 料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的萤子阱激光器，量f阱半穿体激光 器5双异质结(DH)激光器相比，具有阑值电流低、输出功率髙，频率响应好， 光谱线窄和温度稳性好和较髙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

30、单个阱宽约为100人的势阱所组成，由于势阱宽 度小于树料中电子的徳布罗意波的波长，产生了请子效应，连续的能带分裂为子文件是由：h建筑大学毕业论文 1 1前言 1.1激光技术及发展 激光技术最早于1960年面世，是一种因刺激产生辐射而强化的光。激光被广泛应用是因为它具有单色性好、方向性强、亮度高等特性。激光技术的原理是：当光或电流的能量撞击某些晶体或原子等易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态，当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子，以放出多余的能量；而接著，这些被放出的光子又会撞击其它原子，激发更多的原子产生频率、方向和相位一样的光子，引发连锁反应，形成强烈而且集

31、中朝向某个方向的光。这种光就叫做激光。激光几乎是一种单色光波，频率围极窄，又可在一个狭小的方向集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。激光因为拥有这种特性，所以拥有广泛的应用。我国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相分离形成多个应用技术畴。在日常生活中我们就可以接触很多激光技术的现实应用，例如激光在加工技术中应用在金属和非金属材料的切割，打孔，刻槽，标记、焊接，表面处理，生产合金，切割等。在医学上科利用激光能产生高能量、聚焦精确，具有一定的穿透力，作用于人体组织时能在局部产生高热量等特点可以达到去除或破坏目标组织达到治疗的目的。主

32、要应用有激光切割和激光换肤。另外走在时尚生活前沿的美容业业越来越多的应用到激光技术。激光在军事畴也得到最充沛应用，例如激光致盲武器、激光防空武器、激光反卫星武器、激光等离子武器、激光制导子弹、激光窃听器、激光沙盘等现代高技术武器都展示了激光的效能。激光技术的核心是激光器，世界上第一台激光器是1960年由T.H.梅曼等人制成的红宝石激光器。激光器的种类很多，可按工作物质、激励方式、运转方式、工作波长等不同方法分类。但各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有泵浦源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。 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。在1962年7月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，建筑大学毕业论文 2 通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）与其他研究人员一道研制出世界上第一台半导体激光器。 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子