半導(dǎo)體激光器是什么？

半導(dǎo)體激光器是一種把電能轉(zhuǎn)換為光能的新型器件。1962年有人研究成功在液氮溫度下，正向偏置的砷化鎵PN結(jié)激光器。以后又研究成功了雙異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體激光器，使半導(dǎo)體激光器的性能有了進(jìn)一步的提高。半導(dǎo)體激光器具有體積小、牢固可靠、效率高可以直接由注入電流激勵(lì)或調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)。它在光纖通訊、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。

一、什么叫激光

假設(shè)一個(gè)原子有兩個(gè)能量狀態(tài)E1和E2。處在E1的原子能量較低，我們稱(chēng)它為基態(tài)；處在E2的原子能量較高，稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。在通常情況下，大部分原子都處于能量較低的E1狀態(tài)。如果該原子受到光照，而且光波的頻率v與這兩個(gè)能量狀態(tài)的能量具有關(guān)系，那末，原子會(huì)吸收光子的能量從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)，這就是吸收過(guò)程。處在激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，它會(huì)從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，同時(shí)放出一個(gè)能量為h的光子，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為自發(fā)射。但也有可能發(fā)生另一種情況，當(dāng)原子還處在激發(fā)態(tài)時(shí)，又有一個(gè)能量為M的光子作用于它，這時(shí)，這個(gè)原子會(huì)受到光子的激勵(lì)立即從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)同時(shí)能放出兩個(gè)光子，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為受激發(fā)射。我們注意到，受激發(fā)射所產(chǎn)生的光子是激勵(lì)后產(chǎn)生的，所以它的頻率、相位等都與激勵(lì)它的光子完全相同。

可以用一定的辦法使處在激發(fā)態(tài)的原子數(shù)比處在基態(tài)的原子數(shù)還要多。我們把處在這種情況下的系統(tǒng)分布稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。如果一束能量的光子作用于一個(gè)已經(jīng)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)上，那末，受激發(fā)射的過(guò)程將超過(guò)吸收過(guò)程。也就是說(shuō)離開(kāi)這個(gè)系統(tǒng)的、能量的光子將比進(jìn)入這個(gè)系統(tǒng)的光子多。這種現(xiàn)象稱(chēng)為光量子放大。人們把受激發(fā)射光量子放大所產(chǎn)生的光稱(chēng)為激光。與普通光相比，激光具有許多特殊的性質(zhì)。它是一種亮度極高，方向性和單色性很好的相干光輻射。

二、半導(dǎo)體激光器

與上述原理相似，利用半導(dǎo)體材料中的電子能級(jí)以及它們之間的躍遷發(fā)光，可以制成半導(dǎo)體激光器。用擴(kuò)散的方法形成PN結(jié)，垂直于PN結(jié)的一對(duì)平行平面是光學(xué)平面，它們是利用砷化鎵材料兩個(gè)平行的解理面形成的，構(gòu)成所謂諧振腔，前后是兩個(gè)粗糙的平面在PN結(jié)上加正向偏壓，并且使正向偏壓足夠大。由于大量的少數(shù)載流子注入，在PN結(jié)的空間電荷區(qū)附近存在一個(gè)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的區(qū)域，我們稱(chēng)為“有源區(qū)”。一對(duì)平行的光學(xué)平面限制了部分光的透射。光在內(nèi)部來(lái)回反射，逐漸增強(qiáng)，最后形成激光輸出。粗糙表面的作用是使激光輸出限制在一個(gè)方向上。

半導(dǎo)體激光器的主要特性參數(shù)有閾值電流、功率效率、峰值發(fā)射波長(zhǎng)和譜線寬度。閾值電流表示激光器產(chǎn)生激光所需的最小工作電流。功率效率表示輸出的光功率與注入的電功率之比。峰值發(fā)射波長(zhǎng)是激光輻射強(qiáng)度最大處的波長(zhǎng)。光譜線最大強(qiáng)度的一半所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)波長(zhǎng)之差稱(chēng)為譜線寬度。

由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)稱(chēng)為同質(zhì)結(jié)。由兩種不同材料構(gòu)成的PN結(jié)稱(chēng)為異質(zhì)結(jié)。為了提高半導(dǎo)體激光器的性能，已經(jīng)改進(jìn)和研制了不同結(jié)構(gòu)的激光器?，F(xiàn)在正在積極發(fā)展與研究適用于光纖通訊的長(zhǎng)波長(zhǎng)（工作波長(zhǎng)為1.3微米和1.5微米）的雙異質(zhì)結(jié)激光器。制造在室溫下連續(xù)工作的長(zhǎng)壽命半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體激光器研制的重要課題。隨著對(duì)激光器退化機(jī)理的研究以及材料和工藝的改進(jìn)，半導(dǎo)體激光器將開(kāi)拓更廣闊的道路。