半导体激光器原理及其应用

李宏棋

（汉口学院 航空与智能制造学院，湖北 武汉 430212）

1 半导体激光器结构原理

半导体激光器也称为激光二极管（Laser Diode，LD）。由于半导体激光器可产生波长及相位等性质完全一样的光，相干性高是其最大特点。利用注入电流产生的光在两片镜片之间往返放大，直至激光振荡，简单的说，激光二极管也可以说成是一个通过反射镜将光放大的发光二极管（Light Emitting Diode，LED）。量子式和阱电式激光二极管的输入阈值电流相对较低，输出激光功率相对较高，是国内市场上主流的激光产品之一。与其他激光器件相比，激光二极管有效率高、体积小和使用寿命长等诸多优点，但其输出功率较小，不能同时进行多路的频道信号传输和接收高性能的视频模拟信号。在双向式光发射接收机上的回传信号模块中，上行信号通常需要采用激光二级管作为发射光源。

自发辐射是半导体激光器中的一种发光现象。导致产生这种现象的原因是LD中PN节结构。此时PN节两侧的空穴电子自发地进行了复合。新的辐射光子的产生来自于自发辐射时，此时电子（被自发辐射而来）产生了中性光子，一个半导体直接被它穿过，当被刺激所发射的中性之电子被射在空穴附近时，两者被激励因而重新复合。由此，新辐射光子就随之发出。并且，未受激发之辐射载流子会重新结合，因为它们都被之前的光子复合所诱导，这种新的光子被人们称为尚未受激发的辐射。

半导体激光二极管应用法布里珀罗谐振腔，由于PN结面与之垂直，所以它有特别的用途和属性。该谐振腔由半导体晶体的解理面组成，由于载流子会发生复合，因此半导体中的光才能正常发射出来。正向电压加于PN结附近将迫使电子移动，电子从N区经过PN结移动到P区。这个时候空穴相反，它会从P区经过PN结，进入N区。此时PN结附近会出现一种现象，那就是注入在其附近的非平衡电子，它会与注入其附近的空穴复合。此时会有光子发出，其波长为λ，此时发生的现象可以用下面的公式描述为

式中：h为普朗克常量；C为光速；Eg为半导体禁带能级宽度。

上述现象称为自发辐射，它指的是当电子和空穴自发复合时发光。这种辐射光子通过半导体时，当其经过已发射的电子—空穴对附近，后者就会被激励复合，于是就产生了之前所说的新的光子，由于已被激发的载流子被这种光子诱发而复合，从而产生新的光子的现象叫作受激辐射。有一种现象叫粒子数反转，它是指形成一种载流子分布，这种分布与热平衡状态所产生的载流子分布相反，但前提条件是注入足够大的电流。如果载流子在有源层内并且大量反转便会产生受激辐射，其原因是少量由自发辐射产生的光子，在谐振腔两端面往复反射而产生的。这时会造成一种现象，这种现象是某一频率会产生增益，其造成选频谐振正反馈。具有良好谱线的相干光，它会从PN结中产生并发出，这种光就是激光，此时增益大于损耗。

但是当有大量的足够的电流被注入，载流子的分布会不一样，会出现与热平衡所呈现的状态相反。当在大量反转之载流子存在于有源层内，此时由于出现在谐振腔两端面的，这里存在的由自发辐射而产生的之前所说的光子，其少量的在上述之位置往返来回反射，并由此产生感应辐射，这种情况下会对一种频率出现增益现象，此时会出现正反馈，其出现在选频谐振的方面。激光具有良好谱线的相干光，当吸收损耗小于增益时可从PN节中激发出来。

有一种现象，有两个粒子从某一高能态向低能态跃迁，它们的各种性质不同，它们发出光的相位不同、偏振状态不同、发射方向也可能不同，这种辐射就叫自发辐射。这里还有另一种情形是当位于高能态的粒子在外来光子的激发下向低能态跃迁，此时其会发出与外来光子完全相同的光，这时它们的各种性质完全相同，如频率、相位、偏振状态等，这就是受激辐射与上述辐射的不同。激光器需要产生各项性质相同的光，它所发出的辐射就是受激辐射，由该辐射放出的激光在频率、相位、偏振状态等性质完全一样。其实受激辐射、受激吸收同时发生，它们同时存在于所有的受激发光系统。只有在受激辐射占优势时外来光被放大并发出激光。因为在大部分光源中，占优势的都是受激吸收这种情形，于是发出激光只有这样一种情况，那就是粒子数反转，在这种情况下低能态的粒子数小于高能态的粒子数，粒子的平衡态就被打破了[1-5]。

2 半导体激光器的应用

2.1 半导体激光器的发展

1964年将激光二极管的工作温度提高到室温。1969年单异质晶体结构的激光光电二极管在40 ℃室温下正常工作。1970年发明双异质结激光二极管。此后，激光二极管的发展迅速。双异质结激光二极管寿命在1975年提高到105 h以上。激光二极管的发展推动了光纤通信的产业化应用。

技术的进步促使激光发展成为一种专门的技术。具体地说，在成为激光最广泛应用的技术之时，激光二极管在过去的30多年里平均能量增加，而每瓦的平均能量则呈指数级降低。因此，激光二极管将取代某些已经建立起来的激光和非激光技术，同时也使得全新的光学技术可能成为现实，激光二极管在数据储存、数据通信和固体激光设备等中有成熟应用。相比之下，材料加工与光学传感是一个快速发展的细分市场，这里产生了大量新兴的应用。

二极管棒的衍射功率不断增加大大推动了直接发光二极管衍射激光器的快速发展，并且也使得其在激光材料以及加工工艺方面的新技术应用成为一种可能，包括将近红外光束的技术提升和发展用于精密机械工程技术中的新型通用可见光雷射激光器，通过把单个激光二极管和一组激活介质棒结合起来，扩大功率，标准棒宽度为1 cm。几十年来，各大公司在提高二极管棒输出功率的同时，也进行了激烈竞争。如今，商业半导体激光器的产品一般提供功率不超过1 μm波长的200 W/bar，而激光生产商的开发部门也已经确认连续波的平均功率超过了1 kW/bar。

根据数据分析的相关资料，研究了1 μm红外激光波长的高功率半导体激光的输出光束功率和发射光束质量值的变化。高功率半导体激光器是一种迅速进步发展的新型材料产业加工技艺工具和材料产业制造设备。

二极管棒的加工功率大幅增加虽然提供了金属材料激光加工的新技术应用，但一些新兴的加工应用例如要求波长、稳定度和激光器件整体使用寿命等要比激光技术参数更高。因此，可以看出功率化的竞争已不再是一个企业首要的竞争任务了。二极管上的激光加工技术不断快速发展，包括基于红外光束的高质量精度技术提升和新型精密金属加工技术领域，用于精密金属工程。

半导体激光技术的发展产生了直接二极管激光器（DDLs）制造。大功率直接二极管激光器结合许多光学二极管与波束，形成电子控制和冷却单位。技术进步使 DDLs 能够产生20 kW以上的输出功率，并且在波束质量比以往更高时产生了多千瓦电力。除了DDL，像德国Laserline 这样的二极管激光器也提供了与有源光缆转换器耦合的二极管激光，其输出功率为42 kW，光束质量为4 mrad。

光束质量自动改进使用户可以将激光集中在一个较小的位置，这表明 DDLs 是处理金属、塑料和复合材料的一种快速开发工具。在诸如激光焊接的高精度、深穿透等应用中，DDLs 现在与光纤激光设备的高低相匹配。DDLs 直接把电能转换成激光，而光纤激光器以稀土金属掺杂的光纤为基础，必须通过激光二极管或两极管棒进行能量输出。

2.2 半导体激光器在军事领域的应用

在军事武器方面，全固态激光器的应用也很广泛，表现十分出色。半导体激光武器能给敌人造成直接杀伤，是一种新型优质武器。据相关行业报道，2020年美国陆军将50 kW全固态激光器成功装载在机动战车上，用于对空防御。目前我国也在积极开展半导体激光军事武器的研制，并已取得巨大突破。

2.3 半导体激光器在医疗领域的应用

半导体激光治疗仪器独特的优点造就了独特的效果，其中精确、可控便是其最大特点。创伤小、出血少、非接触、无感染的特点就是激光束造成的切片独有的，其周围组织的损伤程度也极小。

2.4 半导体激光器在工业领域的应用

在工业加工领域，其应用也颇多颇广。据韩国行业统计，该国加工制造业一成以上都需要激光加工，其中汽车方面，该国汽车行业在进行原车加工时，进行喷漆处理前会先使用激光的光束处理钢板表面，这种操作对工艺要求高的汽车行业很重要，它不仅让油漆不容易脱落，而且车体表面的光泽度提高。由于汽车行业的竞争激烈，据德国相关行业杂志报道，世界上很多知名公司都在很多环节使用了激光技术，其中激光器系统就备受青睐，福特、菲亚特等公司的激光焊接技术广泛地应用在汽车焊接中，这使他们在竞争中保持优势，在市场中持续活跃，带动更多的产业链，加速了产业化。

3 结 论

半导体激光器经过长时期的发展已成熟，随着科技的日益进步和经济的高水平发展，其应用和产业化前景会越来越全面，越来越广泛。