一、引言
在１９６２年７月召開的固體器件研究國(guó)際會(huì)議上，美國(guó)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(duì)半導(dǎo)體激光器的原理，發(fā)展以及應(yīng)用等作簡(jiǎn)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(guò)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(jí)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(lái)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(shì)壘把注入電子限制在ＧａＡｓＰ—Ｎ結(jié)的Ｐ區(qū)之內(nèi)，以此來(lái)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(jí)，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(guó)外千瓦級(jí)的高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商品化，國(guó)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(lái)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(zhǎng)為６５０ｎｍ，６３５ｎｍ的問(wèn)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(jí)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(lái)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(wú)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(lái)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(jí)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(jí)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(duì)發(fā)展硅基激光器及短波激光器很有利。量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)明大大簡(jiǎn)化了在中紅外到遠(yuǎn)紅外這樣寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生特定波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍內(nèi)的各種波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍寬，制作簡(jiǎn)單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，目前已超過(guò)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(zhǎng)波長(zhǎng)激光器（１９７６年）用于光通信，短波長(zhǎng)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(cè)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(jí)聯(lián)激光的新型激光器應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。另外，由于半導(dǎo)體激光器可以通過(guò)改變磁場(chǎng)或調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(duì)抗、紅外照明、激光雷達(dá)、
大氣窗口、自由空間通信、大氣檢測(cè)和化學(xué)光譜學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用。
五、結(jié)束語(yǔ)
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(zhǎng)，并可采用簡(jiǎn)單的注入電流的方式來(lái)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(cè)距以及雷達(dá)等方面以及獲得了廣泛的應(yīng)用。