半导体激光器的原理及应用 专 业：电子科学与技术班 级：一班姓 名：黄兵兵学 号： 20112230110
半导体激光器的原理及应用
摘要：半导体激光器的发展迅速,以其独特的性能及优点获得了广泛的应用. 本
文介半绍了半导体激光器的原理、结构、进展。还介绍了半导体激光器在激光测距、激光引信、激光制导跟踪、激光瞄准和告警、激光通信、光纤陀螺以及国民经济等各个领域中的应用。大功率半导体激光器在军事领域和工业领域有着广泛的应用。
关键词：半导体激光器 原理与应用 未来前景
半导体激光器是以半导体材料(主要是化合物半导体)作为工作物质,以电流注入作为激励方式的一种小型化激光器。世界上的第一台半导体激光器是同质结的,即和普通的p—n结极管一样。这种同质结激光器有源区的厚度为电子扩散长度量级(微米量级),阈值电流密度需达到105A/cm2,因此只能在液氮温度(77K)和脉冲状态下工作。
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,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限制在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。
1970年，双异质结激光器(DHL)利用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，在P型和n型材料之间生长了仅有0.2Eam厚的，不掺杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注人的载流子被限制在该区域内(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，实现了激光波长为9000Å。室温连续工作的双异质结砷化稼一稼铝砷激光器。
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。
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。20世纪90年代，连续输出功率在100以上，脉冲输出功率在5W以上的高功率半导体激光器取得了突破性进展。
20世纪90年代出现的面发射激光器(SEL)是一种在室温下可达到亚毫安的网电流8mW的输出功率和11%的转换效率的半导体激光器。
20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展，且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用。980mn,850nm和780nm的器件在光学系统中已经实用化。
半导体激光器的原理及特性
半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级
有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。
半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为2～5×1018cm-1；p型为1～3×1019cm-1。
在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。
若在形成了p-n结的
导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻
碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。
要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。
半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95％以上的反射率。一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合 半导体激光器的工作特性
半导体激光器的工作特性中，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有：
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异质结阈值电流比同质结低得多。 ④温度愈高，阈值越高。
由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°左右。 半导体激光器的特点
由于半导体激光器的体积小、重量轻、结构简单、光波长可调能量低、寿命较长、易于调制以及价格低廉等优点,使得它已在激光技术中占有显赫的地位,它的成功应用已遍及电子学以及激光光谱学等许多重要领域。其中VCSEL型半导体激光器,由于单纵模、波长可连续调谐、无模式跳跃、波长分布范围广等特点,很适合各种气体的激光光谱学研究。垂直腔面发射激光器VCSEL有如下特点：
(1)易于实现二维平面和光电集成:单个VC2SEL激光器仅几微米大小,有可能在1cm2的芯片上集成百万个这种微型激光器。
(2)圆形光束易于实现与光纤的有效耦合:VCSEL有径向对称的高斯近场分布。因而它们更容易耦合到光纤或光学器件上芯片生长后无须解理、封装即可进行“在片”实验,制作工艺简单,制作成本低。
(3)在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作。 (4)光束发散角较小,约为5°。
(5)有源区尺寸极小,因而可实现低阈值电流。
目前,高功率半导体激光器的主要市场是泵浦固体激光器、材料加工、印刷业和医学应用等领域。在需求牵引下,高功率半导体激光正在向高平均功率、高功率密度、高光束质量、高效率、低成本和长寿命方向发展。半导体激光器的研究和开发始终与军用和民用市场紧密相联,通过采用先进的工艺和技术,新型高功率半导体激光器将层出不穷。
半导体激光器的应用
半导体激光器在激光光谱学中的应用
激光光谱具有广泛的应用范围,如从分子光谱、等离子物理、高阶谐波产生的科学应用到大气污染的监测及癌症的诊断等。半导体激光器在激光光谱学中有较多优势，用于激光光谱学的半导体激光器有一个重要的特点就是可协调性。其波长可通过改变温度或改变驱动电流来调谐。另外高灵敏度，高选择性可以减少谱线重叠,增加选择性。。半导体激光器还可用调制技术够减少激光的过量噪声。 半导体激光器在光固化快速成型中的应用
光固化成型技术（SLA）是由CharlesHull在1984年发明并申请的专利。光固化快速成型制造技术不同于传统的材料去除制造方法，成型原理如图所示。液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下快速固化。成型开始时，可升降工作台使其处于液面下一个层厚的地方。聚焦后的紫外激光束在计算机的控制下按截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态树脂固化，形成该层面的固化层。然后工作台下降一层高度，其上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层的扫描固化，与此同时新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直到整个产品完成。
紫外半导体激光器技术的发展，为SLARPT提供了最好的光源，在电光效率、成本、体积、寿命和可靠性等指标上堪称最优，在光谱、谱线宽度、功率等性能方面也完全符合SLA的工艺要求，因此现在进行这种新型能量源的研究已成为现
实。这种新颖能量源具有以下优点:
(1)LD比He-Cd气体激光器寿命长、工作可靠，且体积小易于实现装置小型紧凑,使SLARP设备成为一种桌面式三维打印系统的设想成为现实。
(2)LD在低电压下工作，有利于设备的安全操作；其电光转换效率比He-Cd气体激光器高很多，有利于节能。
(3)随着半导体激光器技术的发展，紫外半导体激光器已有产品问世，许多公司的CUBE375-8E和Radius375-8均可满足要求。形成新的光源模块后直接与现有SLA系统集成，可较大幅度地降低系统成本，项目风险也小。 大功率半导体激光器的军事应用
随着激光技术的日趋成熟和应用领域的不断拓展。由于半导体激光器具有结构简单、体积小、寿命较长易于调制及价格低廉等优点使得半导体激光器在在军事中得到广泛应用，如激光制导跟踪便是从制导站的激光发射系统按一定规律向空间发射经编码调制的激光束,且光束中心线对准目标;在波束中飞行的导弹,当其位置偏离波束中心时,装在导弹尾部的激光接收器探到激光信号,经信息处理后,弹上解算装置计算出弹体偏离中心线的大小和方向,形成控制信号;再通过自动驾驶仪操纵导弹相应的机构,使其沿着波束中心飞行,直至摧毁目标为止。半导体激光引信是一种光学引信,属主动式近炸引信的技术范畴。激光引信通过激光对目标进行探测,对激光回波信息进行处理和计算,判断出目标,计算出炸点,在最佳位置适时引爆。炸弹一旦未捕获或丢失目标以及引信失灵后,自炸机构可以引爆弹丸自毁。半导体激光引信是激光探测技术在武器系统中最成功的应用。测距仪采用半导体激光器作光源具有隐蔽性,略加改进,还可测量车辆之间的距离并进行数字显示,在低于所需安全系数时发出警报。激光模拟主要是以半导体激光为基础发展起来的新型军训和演习技术。通过调节激光射束、周期和范围以达到模拟任何武器特征的目的。武器模拟主要使用904nm半导体激光器,用对眼睛安全的激光器作为战术训练系统的基础,最初称为激光交战统(LES)。目前,全世界有美、英、瑞(典)三国出售MILESII/SAWE系统;北约国家、以色列、阿根廷、俄罗斯、中国都在开发这种系统。另外军用光纤陀螺是军用光纤领域中用途最广,是目标监测和测量方面不可缺少的技术手段。由光纤绕成环形光路,采用Sagnac干涉原理,检测出随转动产生的两路激光束的相位差,由此得出转动的角速度。其主要优点是:
无运动部件,仪器牢固,耐冲击,抗加速运动;机构简单,价格低廉;启动时间极短(原理上可瞬时启动);灵敏度高可达10-7rad/s;动态范围极宽(约为2000度/秒);寿命长等。在军用民用光纤通信、光纤制导导弹、制导鱼类等方面广泛应用。 半导体激光器在数字通信中的应用
我们称现代社会为信息社会，半导体激光器在信息的获取，传输，存储和处理以及显示中已得到广泛应用。在数字通信市场,波长为950一1550nm的半导体激光器应用广阔。由于受发达国家的音频和数字通信发展以及东南亚、拉丁美洲等发展中国家新兴工业区加速发展通信基础设施的影响,光纤通信获得了发展。该领域应用的半导体激光器销售额一直高居首位。生产厂家几乎集中于日本、北美,在欧洲也有生产。在今后几年中,日本、北美和德国等将发展直接至用户的光纤网络,这会使半导体激光器的需求量更大,对此类激光器要求价格十分低廉、传输速率中等、可在-40一+80℃环境中工作。鉴于通信事业发展方兴未艾,这类应用的激光器市场将继续有较大的增长。由于光纤通信具有损耗低、容量大、速率高、抗干扰、保密性强、重量轻、体积小等优点,加之信息爆炸、多媒体通信及全球网络的发展,光纤迅速成为信息社会的宠儿。光半导体激光器作为光纤通信系统中的光源是关键元件,是整个系统的核心部分,短距离的光纤通信用单模光纤和130一150nm波长的半导体激光器,空间通信用列阵半导体激光器。所以,全球光纤通信市场前景广阔,多信道密集波分复用技术（DWDM）对经济地扩展网络容量有无可取代的作用,DWDM可使同样系统的容量增加几十倍以至几百倍。因此,DWDM的市场前景是非常好的。据悉,1996年全球网络扩展元器件中的DWDM链路元器件的销售额为9亿美元,2001年将增加到37.16亿美元,平均年增长率为32.8%。全球网络扩展设备中的DWDM链路系统的销售额将从1996年的6.26亿美元增加到2001年的46.41亿美元,平均年增长率高达49.3%。
半导体激光器在未来的新趋势
(1)高速宽带LD主要是113μm和1155μm波长LD,用于高速数字光纤通信和微波模拟光信息传输、分配与处理。潜在市场是未来的信息高速公路和军事装备。高速宽带LD从80年代中期长波长光源商品化后便大量开发,主要通过改进管芯制作和封装技术
（2）半导体激光器大功率化趋势仍将集中在800nm波段,其次是2μm左右。
在800nm波段,光泵浦源又是重点。其发展趋势:一是侧面发射1cm阵列条堆积组件。二是开发表面激射的二维阵列。
（3）对于光信息存储而言,波长越短越有利于聚焦成小光斑,从而增加信息存储密度和容量;许多信息系统终端的感光体的感光度也与光源的波长成反比;在显示方面,绿色是基色之一,所以蓝2绿光已成为全色显示的关键。在600nm以上LD商品化之后,蓝2绿光LD就成了短波长化的主要目标。
（4）大功率中红外(3～5μm)LD是目前急需的半导体光源,它在红外对抗、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应用前景。近几年来,中红外LD在工作温度和输出功率提高方面取得了明显进展,主要采用一般量子阱和新开发的量子阱结构。半导体激光器在红光和115μm波段范围以内的技术已十分成熟,大量的商品器件在军、民两用的广大市场上受到欢迎。随着新型波长(短、长)LD和高性能LD的开发,下世纪半导体LD将涉足更广泛的两用领域,保持持续高速的市场增长。
参考文献
[1] 谢兴盛。 高斯光束匹配的讨论[J]。 大学物理 , 1990, (11)
[2] 朱延彬, 沈孝伟, 周和平。 高斯光束的判别和测量[J]。 中国激光 , 1987, (10) [3] 朱延彬, 沈孝伟, 孙亦农, 周和平, 贾琳。 一种新型的高斯光束判别测量仪[J]。 量子电子学报 , 1987, (04)
[4] 张纪岳, 杨志勇。 高斯光束在照相机中的传输[J]。 激光杂志 , 1988, (06) [5] 刘金环。 高斯光束的光学变换[J]。 光学精密工程 , 1994,(03) [6] 张梓华。 高斯光束的谱线展宽效应[J]。 量子电子学报 , 1985, (03) [7] 激光器件 半导体激光器[J]。 中国光学与应用光学文摘 , 2005,(06) [8] 张纪岳, 杨志勇。 高斯光束的偏振特性[J]。 量子电子学报 , 1988, (04) [9] 赵安庆, 毛海涛, 王庆国, 李方正。 高斯光束经薄透镜变换的几何光学模拟[J]。 电光与控制 , 1999,(01)
[10] 周清荃。 高斯光束的补充讨论[J]。 重庆师范学院学报(自然科学版) , 1999,(03)
[11] 孙再吉。 GaInNAs半导体激光器的开发[J]。 半导体信息 , 2007,(01) [12] 白家岭，龚焕明，魏洁六，张勤英，卢澎，方祖捷，潘慧珍。 半导体激光器的应用与市场[J]。 激光与红外 , 1995,(03)