從1962年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器以來，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)步的組成部分,半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于光通信、生物醫(yī)學(xué)、集成光學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域,但它們是如何工作的呢?了解它們的結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵屬性和工作原理對(duì)于探索它們的應(yīng)用和性能至關(guān)重要。自從1962年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器以來，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)步的組成部分半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于光通信、生物醫(yī)學(xué)、集成光學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域但它們是如何工作的呢?了解它們的結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵屬性和工作原理對(duì)于探索它們的應(yīng)用和性能至關(guān)重

半導(dǎo)體材料的電特性

半導(dǎo)體具有壽命長、體積小、功耗低以及與現(xiàn)代技術(shù)兼容等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。3 它們的電特性可以調(diào)整，以增強(qiáng)或限制電子流，因此在電子和激光應(yīng)用中至關(guān)重要。它們的導(dǎo)電性介于金屬和絕緣體之間，可以控制電氣行為。

導(dǎo)電性由自由電子的運(yùn)動(dòng)決定。電子占據(jù)不同的能級(jí)，結(jié)合最不緊密的電子位于價(jià)帶。在價(jià)帶之上是導(dǎo)帶，電子必須在此過渡才能導(dǎo)電。這些能帶之間的能差(稱為帶隙)決定了材料的導(dǎo)電性。

與絕緣體相比，半導(dǎo)體的帶隙更窄，因此可以控制電子的移動(dòng)。這一特性是半導(dǎo)體在現(xiàn)代電子和光電設(shè)備(包括半導(dǎo)體激光器)中應(yīng)用的關(guān)鍵。

藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于其有源區(qū)材料，通常為GaN或InGaN，這些材料的帶隙寬度有所不同，從而使得激光器能夠發(fā)出不同顏色的光。以典型的GaN基激光器為例，其結(jié)構(gòu)在z方向上從下到上依次為n電極、GaN襯底、n型A1GaN下限制層、n型hGaN下波導(dǎo)層、多量子阱(MQW)有源區(qū)、非故意摻雜hGaN上波導(dǎo)層、p型電子阻擋層(EBL)、p型A1GaN上限制層、p型GaN層以及p電極。這種精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得藍(lán)光半導(dǎo)體激光器在發(fā)光效率和穩(wěn)定性方面都表現(xiàn)出色。

半導(dǎo)體激光器，又稱為激光二極管，是一種利用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的器件。它基于半導(dǎo)體材料的特殊電子能帶結(jié)構(gòu)，通過注入電流實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，從而產(chǎn)生受激輻射，發(fā)出具有高度相干性、方向性和單色性的激光束。常見的激光半導(dǎo)體材料有砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等，這些材料通過不同的摻雜和制造工藝，可以實(shí)現(xiàn)不同波長的激光輸出，覆蓋從可見光到紅外光的較寬光譜范圍。

普通 LED 是基于自發(fā)輻射發(fā)光。當(dāng)在 LED 的 PN 結(jié)兩端施加正向電壓時(shí)，電子與空穴復(fù)合，釋放出能量以光子的形式發(fā)出光，其發(fā)光過程是隨機(jī)的，發(fā)出的光在方向、相位和光譜上相對(duì)較為分散。

半導(dǎo)體激光器則是基于受激輻射發(fā)光。在特定的條件下，通過外部能量的激發(fā)使處于高能級(jí)的電子數(shù)多于低能級(jí)的電子數(shù)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)一個(gè)光子引發(fā)高能級(jí)電子躍遷到低能級(jí)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與入射光子具有相同頻率、相位、方向和偏振態(tài)的光子，從而形成高強(qiáng)度、高相干性的激光束。

展示了典型的GaN激光器芯片結(jié)構(gòu)。多量子阱有源區(qū)(MQWs)的材料折射率最高，且其兩側(cè)材料的折射率逐漸遞減。這種z方向上材料折射率中間高、上下低的分布特點(diǎn)，使得光場主要被限制在上、下波導(dǎo)層之間。在y方向，激光器兩側(cè)的p型層經(jīng)過刻蝕并沉積了二氧化硅(SiO2)薄層，形成了脊型結(jié)構(gòu)。由于二氧化硅和空氣的折射率低于p型層的折射率，光場在y方向上被進(jìn)一步限制在脊型中間。最終，在x方向通過機(jī)械解理或刻蝕方法形成前、后腔面，并通過蒸鍍介質(zhì)膜來調(diào)控其反射率，通常前腔面的反射率設(shè)計(jì)得低于后腔面，以確保激光能夠從前腔面有效出射。

接下來，我們探討藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的工作原理。

其核心與其他類型的半導(dǎo)體激光器相同，都是基于半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。要使半導(dǎo)體激光器正常工作并實(shí)現(xiàn)光子的受激輻射，必須滿足幾個(gè)關(guān)鍵條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、諧振腔、光增益以及閾值條件等。其中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是指在特定條件下，導(dǎo)帶中的電子數(shù)多于價(jià)帶中的空穴數(shù)，或反之。在GaN激光器中，我們主要關(guān)注的是n>p的情況。當(dāng)外部電場作用于激光器時(shí)，電子從導(dǎo)帶底部被推向高能態(tài)，而空穴則從價(jià)帶頂部被推向低能態(tài)，這個(gè)過程稱為電注入。在無外部注入的情況下，半導(dǎo)體中的電子和空穴數(shù)量相等，系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)。然而，一旦滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件，激光器便具備了產(chǎn)生激光的基礎(chǔ)。

其中，0和0分別代表導(dǎo)帶和價(jià)帶中的平衡載流子濃度，而和則分別對(duì)應(yīng)導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)哪芰?。此外，表示費(fèi)米能級(jí)，為玻爾茲曼常數(shù)，而則代表溫度。在外部電場的作用下，電子和空穴會(huì)被注入到有源層中，其濃度分別變?yōu)閚和p。當(dāng)注入的電流達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，將滿足以下條件：

其中，和分別代表導(dǎo)帶和價(jià)帶的有效態(tài)密度。為了達(dá)成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所需注入的電流必須達(dá)到一定強(qiáng)度，使得費(fèi)米能級(jí)向?qū)Х较蛞苿?dòng)，進(jìn)而使得(導(dǎo)帶中的電子濃度)大于(價(jià)帶中的空穴濃度)。這一過程可以通過以下條件來具體描述：

激光器的閾值電流?可以通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，代表電子電荷，而則表示有源區(qū)的橫截面積。在實(shí)際應(yīng)用中，閾值電流通常以電流密度?的形式來表示。

綜合上述因素，我們可以進(jìn)一步推導(dǎo)出閾值電流密度的表達(dá)式。

由此，我們可以推導(dǎo)出閾值電流密度?的具體表達(dá)式。為了確保激光器的增益超過損耗，我們必須滿足以下條件：

其中，代表腔內(nèi)損耗，而則表示輸出耦合損耗。

接下來，我們將探討GaN激光器的諧振腔理論。

這一理論基于光學(xué)諧振腔的原理，核心在于如何在激光器中構(gòu)建并維持光振蕩。激光器的諧振腔作為一種光學(xué)結(jié)構(gòu)，通過兩個(gè)或多個(gè)反射面之間的多次往返，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的放大。這種結(jié)構(gòu)通常由部分透射的鏡子組成，為光波的穩(wěn)定振蕩提供了必要條件。要滿足這一條件，光波的波矢必須符合特定的關(guān)系。

其中，代表光波的波長，是諧振腔的光學(xué)長度，而作為整數(shù)，象征著模式的階數(shù)。在諧振腔內(nèi)，光波的振蕩模式可以是橫向模式(如TEM模式)，也可以是縱向模式(例如TE或TM模式)，或是它們的結(jié)合。特別是在半導(dǎo)體激光器中，橫向模式備受關(guān)注，因?yàn)樗鼈冊诩す馄鞑▽?dǎo)的垂直方向上展現(xiàn)了穩(wěn)定的電場和磁場分布。

半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵(lì)方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)(即利用電子)在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。

半導(dǎo)體激光器是依靠注入載流子工作的，發(fā)射激光必須具備三個(gè)基本條件:

1、要產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)。

2、有一個(gè)合適的諧振腔能夠起到反饋?zhàn)饔?，使受激輻射光子增生，從而產(chǎn)生激光震蕩。

3、要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。

二、半導(dǎo)體激光器和光纖激光器一樣嗎?

半導(dǎo)體激光器和光纖激光是不一樣的。

1、介質(zhì)材料不同

光纖激光器和半導(dǎo)體激光器的區(qū)別就是他們發(fā)射激光的介質(zhì)材料不同。光纖激光器使用的增益介質(zhì)是光纖，半導(dǎo)體激光器使用的增益介質(zhì)是半導(dǎo)體材料，一般是砷化家，鋼家申等。

2、發(fā)光機(jī)理不同

半導(dǎo)體激光器的發(fā)光機(jī)理是粒子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間躍遷產(chǎn)生光子，因?yàn)槭前雽?dǎo)體，所以使用電激勵(lì)即可，是直接的電光轉(zhuǎn)而光纖不能夠直接實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，需要用光來泵浦增益介質(zhì)(一般用激光二極管泵浦)，它實(shí)現(xiàn)的是光光轉(zhuǎn)換換。

3、散熱性能不同

光纖激光器散熱好，一般風(fēng)冷即可。半導(dǎo)體激光器受溫度影響非常大，當(dāng)功率較大時(shí)，需要水冷。

4、主要特性不同

光纖激光器的主要特性是器件體積小，靈活。激光輸出譜線多，單色性好，調(diào)諧范圍寬。并且其性能與光偏振方向無關(guān)器件與光纖的耦合損耗小。轉(zhuǎn)換效率高，激光聞值低。光纖的幾何形狀具有很低的體積和表面積，再加上在單模狀態(tài)下激光與泵浦可充分耦合。

半導(dǎo)體激光器易與其他半導(dǎo)體器件集成。具有的特性是可直接電調(diào)制，易于與各種光電子器件實(shí)現(xiàn)光電子集成，體積小重量輕，驅(qū)動(dòng)功率和電流較低，效率高、工作壽命長，與半導(dǎo)體制造技術(shù)兼容，可大批量生產(chǎn)

高亮度與高能量密度：由于其高度的方向性和相干性，半導(dǎo)體激光器能夠在較小的光斑面積上集中極高的能量，其亮度可比普通 LED 高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這使得它在需要高能量密度照射的應(yīng)用場景中具有無可替代的優(yōu)勢，如激光切割、激光焊接等工業(yè)加工領(lǐng)域。

遠(yuǎn)距離傳輸特性：極小的發(fā)散角使得半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光在遠(yuǎn)距離傳輸過程中能量損失小，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離的光通信、激光測距等應(yīng)用。例如在光通信中，半導(dǎo)體激光器作為光源可以在光纖中實(shí)現(xiàn)高速、長距離的數(shù)據(jù)傳輸，而普通 LED 由于光發(fā)散嚴(yán)重難以滿足此類需求。

高相干性：半導(dǎo)體激光器的高相干性使其在干涉測量、全息成像等光學(xué)精密測量和成像領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。相干性好的激光可以產(chǎn)生清晰穩(wěn)定的干涉條紋，用于高精度的長度測量、表面形貌檢測等。