半導(dǎo)體激光器工作原理及主要參數(shù)

半導(dǎo)體激光器又稱為激光二極管（LD，Laser Diode），是采用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射的一類激光器。常用材料有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）。激勵(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦激勵(lì)三種形式。半導(dǎo)體激光器件，一般可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)在于體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、能耗低、效率高、壽命長(zhǎng)、高速調(diào)制，因此半導(dǎo)體激光器在激光通信、光存儲(chǔ)、光陀螺、激光打印、激光醫(yī)療、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、自動(dòng)控制、檢測(cè)儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

　　半導(dǎo)體激光器工作原理是：通過一定的激勵(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：電注入式、電子束激勵(lì)式和光泵浦激勵(lì)式。電注入式半導(dǎo)體激光器一般是由GaAS（砷化鎵）、InAS（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。電子束激勵(lì)式半導(dǎo)體激光器一般用N型或者P型半導(dǎo)體單晶（PbS、CdS、ZhO等）作為工作物質(zhì)，通過由外部注入高能電子束進(jìn)行激勵(lì)。光泵浦激勵(lì)式半導(dǎo)體激光器一般用N型或P型半導(dǎo)體單晶（GaAS、InAs、InSb等）作為工作物質(zhì)，以其它激光器發(fā)出的激光作光泵激勵(lì)。

　　目前在半導(dǎo)體激光器件中，性能較好、應(yīng)用較廣的是：具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管半導(dǎo)體激光器。

　　半導(dǎo)體光電器件的工作波長(zhǎng)與半導(dǎo)體材料的種類有關(guān)。半導(dǎo)體材料中存在著導(dǎo)帶和價(jià)帶，導(dǎo)帶上面可以讓電子自由運(yùn)動(dòng)，而價(jià)帶下面可以讓空穴自由運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)帶和價(jià)帶之間隔著一條禁帶，當(dāng)電子吸收了光的能量從價(jià)帶跳躍到導(dǎo)帶中去時(shí)就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導(dǎo)帶跳回價(jià)帶，又可以把電的能量變成光，這時(shí)材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長(zhǎng)。

　　小功率半導(dǎo)體激光器（信息型激光器），主要用于信息技術(shù)領(lǐng)域，例如用于光纖通信及光交換系統(tǒng)的分布反饋和動(dòng)態(tài)單模激光器（DFB-LD）、窄線寬可調(diào)諧激光器、用于光盤等信息處理領(lǐng)域的可見光波長(zhǎng)激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。這些器件的特征是：?jiǎn)晤l窄線寬、高速率、可調(diào)諧、短波長(zhǎng)、光電單片集成化等。

　　大功率半導(dǎo)體激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系統(tǒng)、印刷行業(yè)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。

　　半導(dǎo)體激光器主要參數(shù)：

　　波長(zhǎng)nm：激光器工作波長(zhǎng)，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。

　　閾值電流Ith：激光二極管開始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對(duì)小功率激光器而言其值約在數(shù)十毫安。

　　工作電流Iop：激光二極管達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流，此值對(duì)于設(shè)計(jì)調(diào)試激光驅(qū)動(dòng)電路較重要。

　　垂直發(fā)散角θ⊥：激光二極管的發(fā)光帶在與PN結(jié)垂直方向張開的角度，一般在15°~40°左右。

　　水平發(fā)散角θ∥：激光二極管的發(fā)光帶在與PN結(jié)平行方向張開的角度，一般在6°~ 10°左右。

　　監(jiān)控電流Im ：激光二極管在額定輸出功率時(shí)在PIN管上流過的電流。

　　半導(dǎo)體激光器主要向兩個(gè)方向發(fā)展：一類是以傳遞信息為主的信息型激光器；另一類是以提高光功率為主的功率型激光器。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。未來，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢(shì)主要在高速寬激光器、大功率激光器、短波長(zhǎng)激光器、中紅外激光器等方面。