半导体激光器原理及其应用
摘要:半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。其工
作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之问,或者半导体
物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,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。
关键词:半导体;激光器;电子;空穴
一、引言
在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上,美国麻省理工学院林肯实验室的
两名学者克耶斯和奎斯特报告了砷化镓材料的光发射现象,这引起通用电气研究实验室工
程师哈尔的极大兴趣,在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后,哈尔立即制定
了研制半导体激光器的计划,并与其他研究人员一道,经数周奋斗,他们的计划获得成
功。从此拉开了研究半导体激光器的序幕。像晶体二极管一样,半导体激光器也以材料的
P—n结特性为基础,且外观亦与前者类似,因此,半导体激光器常被称为二极管激光器
或激光二极管。
本文对半导体激光器的原理,发展以及应用等作简要介绍。
二、半导体激光器原理
半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。其工作
原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物
质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,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。半导体激光器的激励方式主
要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器,一般是由
GaAs(砷化镓),lnAs(砷化铟),InSb(锑化铟)等材料制成的半导体面
结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射。
三、半导体激光器的发展
2O世纪6O年代初期的半导体激光器是同质结型激光器,它是存一种材料上制作的
PN结二极管在正向大电流注入下,电子不断地向P区注入,空穴不断地向N区注入。于
是在原来的PN结耗尽区内实现了载流子分布的反转,由于电子的迁移速度比空穴的迁移
速度快,在有源区发生辐射、复合,发射出荧光,在一定的条件下发生激光,这是一种只
能以脉冲形式工作的半导体激光器。
半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器,它是由两种不同带隙的半导
体材料薄层,如GaAs,GaA1As所组成,最先出现的是单异质结构激光器(19
69年)。单异质结注入型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制
在GaAsP—N结的P区之内,以此来降低阈值电流密度,其数值比同质结激光器降低
了一个数量级,但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。
从20世纪70年代末开始,半导体激光器明显向着两个方向发展,一类是以传递信
息为目的的信息型激光器。另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激
光器等应用的推动下,高功率半导体激光器在2O世纪90年代取得了突破性进展,其标
志是半导体激光器的输出功率显著增加,国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化,
国内样品器件输出已达到600W。如果从激光波段的被扩展的角度来看,先是红外半导
体激光器,接着是670nm红光半导体激光器大量进入应用,接着,波长为650n
m,635nm的问世,蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功,10mw量级的紫
光乃至紫外光半导体激光器,也在加紧研制中,为适应各种应用而发展起来的半导体激光
器还有可调谐半导体激光器。分布反馈(DF)式半导体激光器是伴随光纤通信和集成光
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