一、引言
在１９６２年７月召開的固體器件研究國際會(huì)議上，美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的兩名學(xué)者克耶斯和奎斯特報(bào)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(shí)驗(yàn)室工程師哈爾的極大興趣，在會(huì)后回家的火車上他寫下了有關(guān)數(shù)據(jù)?；氐郊液?，哈爾立即制定了研制半導(dǎo)體激光器的計(jì)劃，并與其他研究人員一道，經(jīng)數(shù)周奮斗，他們的計(jì)劃獲得成功。從此拉開了研究半導(dǎo)體激光器的序幕。像晶體二極管一樣，半導(dǎo)體激光器也以材料的Ｐ—ｎ結(jié)特性為基礎(chǔ)，且外觀亦與前者類似，因此，半導(dǎo)體激光器常被稱為二極管激光器或激光二極管。
本文對半導(dǎo)體激光器的原理，發(fā)展以及應(yīng)用等作簡要介紹。
二、半導(dǎo)體激光器原理
半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件。其工作原理是，通過一定的激勵(lì)方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵(lì)式。電注入式半導(dǎo)體激光器，一般是由ＧａＡｓ（砷化鎵），ｌｎＡｓ（砷化銦），ＩｎＳｂ（銻化銦）等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進(jìn)行激勵(lì)，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。
三、半導(dǎo)體激光器的發(fā)展
２Ｏ世紀(jì)６Ｏ年代初期的半導(dǎo)體激光器是同質(zhì)結(jié)型激光器，它是存一種材料上制作的ＰＮ結(jié)二極管在正向大電流注入下，電子不斷地向Ｐ區(qū)注入，空穴不斷地向Ｎ區(qū)注入。于是在原來的ＰＮ結(jié)耗盡區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了載流子分布的反轉(zhuǎn)，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(fù)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(dǎo)體激光器。
半導(dǎo)體激光器發(fā)展的第二階段是異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器，它是由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層，如ＧａＡｓ，ＧａＡ１Ａｓ所組成，最先出現(xiàn)的是單異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器（１９６９年）。單異質(zhì)結(jié)注入型激光器（ＳＨＬＤ）是利用異質(zhì)結(jié)提供的勢壘把注入電子限制在ＧａＡｓＰ—Ｎ結(jié)的Ｐ區(qū)之內(nèi)，以此來降低閾值電流密度，其數(shù)值比同質(zhì)結(jié)激光器降低了一個(gè)數(shù)量級，但單異質(zhì)結(jié)激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作。
從２０世紀(jì)７０年代末開始，半導(dǎo)體激光器明顯向著兩個(gè)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(yīng)用的推動(dòng)下，高功率半導(dǎo)體激光器在２Ｏ世紀(jì)９０年代取得了突破性進(jìn)展，其標(biāo)志是半導(dǎo)體激光器的輸出功率顯著增加，國外千瓦級的高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商品化，國內(nèi)樣品器件輸出已達(dá)到６００Ｗ。如果從激光波段的被擴(kuò)展的角度來看，先是紅外半導(dǎo)體激光器，接著是６７０ｎｍ紅光半導(dǎo)體激光器大量進(jìn)入應(yīng)用，接著，波長為６５０ｎｍ，６３５ｎｍ的問世，藍(lán)綠光、藍(lán)光半導(dǎo)體激光器也相繼研制成功，１０ｍｗ量級的紫光乃至紫外光半導(dǎo)體激光器，也在加緊研制中，為適應(yīng)各種應(yīng)用而發(fā)展起來的半導(dǎo)體激光器還有可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。分布反饋（ＤＦ）式半導(dǎo)體激光器是伴隨光纖通信和集成光學(xué)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(dǎo)體激光器完全實(shí)現(xiàn)了單縱模運(yùn)作，在相干技術(shù)領(lǐng)域中又開辟了巨大的應(yīng)用前景它是一種無腔行波激光器，激光振蕩是由周期結(jié)構(gòu)（或衍射光柵）形成光藕合提供的，不再由解理面構(gòu)成的諧振腔來提供反饋，優(yōu)點(diǎn)是易于獲得單模單頻輸出，容易與纖維光纜、調(diào)制器等輛合，特別適宜作集成光路的光源。單極性注人的半導(dǎo)體激光器是利用在導(dǎo)帶內(nèi)（或價(jià)帶內(nèi)）子能級間的熱電子光躍遷以實(shí)現(xiàn)受激光發(fā)射，自然要使導(dǎo)帶和價(jià)帶內(nèi)存在子能級或子能帶，這就必須采用量子阱結(jié)構(gòu)。單極性注人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(yīng)的半導(dǎo)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(yuǎn)紅外這樣寬波長范圍內(nèi)產(chǎn)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(nèi)的各種波長的激光。
四、半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用
半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進(jìn)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(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，目前已超過３００種。下面介紹幾種常用的半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用。
量子阱半導(dǎo)體大功率激光器在精密機(jī)械零件的激光加工方面有重要應(yīng)用，同時(shí)也成為固體激光器最理想的、高效率泵浦光源。由于它的高效率、高可靠性和小型化的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致了固體激光器的不斷更新。在印刷業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，高功率半導(dǎo)體激光器也有應(yīng)用。另外，如長波長激光器（１９７６年）用于光通信，短波長激光器用于光盤讀出。自從ＮａＫａｍｕｘａ實(shí)現(xiàn)了Ｇａｌｎ／ＧａＮ藍(lán)光激光器，可見光半導(dǎo)體激光器在光盤系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，如ＣＤ播放機(jī)，ＤＶＤ系統(tǒng)和高密度光存儲(chǔ)器可見光面發(fā)射激光器在光盤、打印機(jī)、顯示器中都有著和重要的應(yīng)用，特別是紅光、綠光和藍(lán)光面發(fā)射激光器的應(yīng)用更廣泛。藍(lán)綠光半導(dǎo)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(yīng)用于大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視機(jī)中?？傊?，可見光半導(dǎo)體激光器在用作彩色顯示器光源、光存貯的讀出和寫入，激光打印、激光印刷、高密度光盤存儲(chǔ)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(yīng)用于環(huán)境檢測和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。另外，由于半導(dǎo)體激光器可以通過改變磁場或調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧，且已經(jīng)可以獲得線寬很窄的激光輸出，因此利用半導(dǎo)體激光器可以進(jìn)行高分辨光譜研究?？烧{(diào)諧激光器是深入研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)而迅速發(fā)展的激光光譜學(xué)的重要工具大功率中紅外ＬＤ在紅外對抗、紅外照明、激光雷達(dá)、
大氣窗口、自由空間通信、大氣檢測和化學(xué)光譜學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用。
五、結(jié)束語
半導(dǎo)體激光器是實(shí)用中最重要的一類激光器。它體積小、壽命長，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可與之單片集成。并且還可以用高達(dá)ＧＨｚ的頻率直接進(jìn)行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體激光器在激光通信、光存儲(chǔ)、光陀螺、激光打印、測距以及雷達(dá)等方面以及獲得了廣泛的應(yīng)用。