半导体激光器的工作原理及应用 (1)

('目录0前言.............................................................................................................................21半导体激光器的工作原理.........................................................................................21.1激光产生原理.......................................................................................................21.2半导体激光器的工作特性................................................................................32同质结和异质结激光器.............................................................................................32.1半导体激光器的发展历史....................................................................................32.2异质结激光器的工作过程....................................................................................53半导体激光器的应用.................................................................................................74大功率激光器的最新进展.........................................................................................95结论...........................................................................................................................10参考文献......................................................................................................................101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，光谱范围宽，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TheworkingprincipleofsemiconductorlasersandapplicationsABSTRACT:Themachanismoflasingbysemiconductorlaser,whichrequiressetupspeciallydesignatedreverseofbeamofparticlesamongenergystages,andappropriateopticalsyntoniccoelenteronAsthespecificityofstructurefromsemiconductorandmovingelectrons.somethinginterestinghappens.Ontheonehand,thespecificprocessinproducinglase,ontheotherhand,thebeamoflighthasuniqueadvantages。Asthereasonsabove,wecaneasilyfounditallquartersofthesociety.Fromhomojunctiontoheterojunction,frominformaticstopower,theadvantagesoflaserareinevidence,thewidespectrum,thesemiconductoropentheepochintheprocessoflaser.Keyworlds:stimulatedradiation;opticalfield;homojunction;heterojunction;high-powersemiconductorlaser0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2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)内载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是由一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，向有源层内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内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F—p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P—n结平面相垂直的自然解理面一[110]面构成F—P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，不断增加腔内的光场。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内谐振并被放大，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：（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。32方向性。由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°左右。3效率。量子效率η＝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70％－80％；300K时，降到30％左右。功率效率η1＝辐射的光功率／加在激光器上的电功率由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的η1最高10％，只有在低温下才能达到30％－40％。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2．1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1"1区注入。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GaAsP—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，实现了激光波长为9000A，室温连续工作的双异质结caAs—GaAIAs(砷化镓一镓铝砷)激光器。双异质结激光器(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。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4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，国内样品器件输出已达到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）【3】名称制成时间主要制作方法突破特性阈值电流A/㎝2工作温度缺点同质结1962扩散法半导体材料10577K脉冲工作阈值电压过高单异质结1967液相外延法脉冲下工作104室温脉冲工作不能连续工作双异质结1970液相外延法连续工作103室温连续工作多纵模发射2.2异质结激光器的工作过程半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图1示出的双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.1~0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。5图1双异质结（DH）平面条形激光器的基本结构(a)短波长;(b)长波长DH激光器工作原理（图2）由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。【4】6图2DH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，由于它的波长范围宽，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，品种发展快应用范围广，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>1Gh／s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范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、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一7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大地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。GaAs／GaAIAs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(DFB—LD)。半导体激光器也广泛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GaInAsP／lnP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实现了GatnN／QaN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(3—5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，8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内，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年内，单个市售LD的典型CW输出功率从20W跃至50w，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：在一个1cmbar上，一个980nm单片LD阵列的CW输出功率达267W。所以，实现大功率的关键是开发bar和最近的多条组件(multibarmodule)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1cm，CW输出功率50w，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。C／W”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，突破了这个热梯度壁垒。单个bar之间用厚约1mm的铜致冷板分隔，冷却水通过该板流动，这些空心板内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1cmbar构成的stack以每bar50WCW工作，寿命仍为5,000～10,000小时。例如，一个2×10阵列能在仅4cm2的总发光面上产生1kW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bar100W的峰值功率工作，占空因数达2％，脉冲持续时间lms或lms以下。这种16个bar的stack的峰值输出功率为1。69kW，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：YLF和Nd：YV04固体激光器的808nm泵浦源，取代大部分输出功率在100W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，830nm器件现在广泛用于彩色胶印和数字直接到版打印。915rim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980nm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，也将使其在国际国内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。参考文献(1)曾三松，高功率半年体激光嚣评述[J]激光技术，2000(8)（2）何兴仁，半导体激光嚣的发展现状与趋势[J]光电子技术与信息，1999(8)（3）陈辉高红，半导体激光器的发展及其在激光光谱学中的应用，哈尔滨师范大学自然科学学报，2005（11）（4）任鲁涌，光纤通信，山东理工大学（5）程末明，21世纪的半导体激光器【J】光机电信息，2002(1)（6）王利民，进入新世纪的半导体光电子技术，世界电子元器件，2001（12）（7）马养武陈玉清，激光器件，浙江大学出版社（8）李相银，激光原理技术及应用，哈尔滨工业大学（9）王启明，半导体激光器酌进展[J]物理，1996(2)(3)（10）程文芹半导体列阵激光器[J]物理1994(7)（11）林世鸣半导体发射微腔激光嚣及其集成阵的应用[J]物理，1994(10)（12）许文海朱炜赵学增，集成检波模块的高精度激光波长稳定系统。光电子·激光，2004，15(8)：921～923（13）满文庆，杨世琪，钟旭滨以原子谱线作参考的半导体激光器的频率锁定。激光技术，1998，22(1)：8～10（14）王瑞峰。蔡伯荣，洪永和等lnGaAsP和GaAIAs半导体激光器稳频放电吸收池的研究电子10学报，1997，25(11)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