半导体激光器原理

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Z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Z为突出。

半导体激光器

光通过谐振腔的选模作用和增益介质的放大作用，经过震荡和放大，实现拥有单色性、准直性、相干性非常好的光束，这个就是激光。激光器有很多种类型，但必要组成部分无外乎：谐振腔、增益介质、泵浦源。

半导体激光器结构

半导体激光器原理

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-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-[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，Z后形成激光而连续地输出。

半导体激光器原理

就基本原理而论，半导体激光器和其它类型的激光器没有根本的区别，都是基于受激光发射．要使激光器得到相干的、受激光输出，须满足两个条件，即粒子数反转条件与阈值条件．前者是必要条件，它意味着处于高能态的粒子（如半导体导带中的电子）数 多于低能态的粒子数．达到这一条件，有源工作物质就具有增益。后者是充分条件。它要求粒子数必须反转到一定程度， 即达到由于粒子数反转所产生的增益能克服有源介质的内部损耗和输出损耗，此后增益介质就具有净增益。与其它激光器不同的是，半导体激光器中电子是分布在不同能带的下同能量状态中，其它微光器中的粒子（原子、离子或分子）是分布在有源介质的不同能级上，因而粒子数反转条件的表示也有差别。

半导体激光器的分类

（1）按材料分，Ⅲ-Ⅴ族材料激光器、Ⅲ-Ⅵ族材料激光器、硅基材料激光器。

（2）按波长分，可见光激光器、红外长波激光器、远红外长波激光器。

（3）按结构划分，同质结激光器、异质结激光器、大光腔激光器、分离限制SCH激光器、 F-P激光器、VCSEL激光器。

（4）按输出功率划分，大功率（1-10W、几百瓦，几千瓦乃至几万瓦）、小功率（1-10mW）

（5）按应用领域划分，光纤传感、光盘存储、光纤通信、军事，打印，原子物理等。

半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(GaAs)、砷化锢(InAs)、锑化锢(InSb)、硫化锅(cds)、蹄化福(CdTe)、硒化铅(PbSe)、啼化铅(PhTe)、铝稼砷(A1xGa-As)、锢磷砷(In-PxAS)等。

半导体激光器用途

（1）应用于军事领域  如激光制导跟踪、激光雷达、激光引信、激光测距、激光通信电源、激光模拟武器、激光瞄准告警、激光通信和激光陀螺等。目前, 世界上的发达国家都非常重视大功率半导体激光器的研制及其在军事上的应用。

（2）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、GX率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一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祸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。

（3）应用于印刷业和医学领域  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。

（4）光电子学中广泛的应用  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YL等方面。