激光技術(shù)已成為現(xiàn)代生活中不可替代的技術(shù)之一，不論是工業(yè)加工、醫(yī)療美容、光纖通信，還是近年來(lái)火熱的無(wú)人駕駛、智能機(jī)器人等，都與激光技術(shù)息息相關(guān)。今天我們主角是半導(dǎo)體激光器，小編將帶大家一起回顧它的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀。

從理論發(fā)展到實(shí)驗(yàn)室研制

激光的起源可以追溯到1916年愛(ài)因斯坦發(fā)布的《關(guān)于輻射的量子理論》 一文。愛(ài)因斯坦首次提出受激輻射理論，為日后激光的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。40年后，關(guān)于能否用半導(dǎo)體材料形成激光的話題開(kāi)始被物理學(xué)家注意，艾格瀚等科學(xué)家提出了許多半導(dǎo)體激光器的設(shè)想及可能。

經(jīng)過(guò)幾年的論證與實(shí)驗(yàn)，同質(zhì)結(jié)GaAs半導(dǎo)體激光器于1962問(wèn)世。但由于同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的臨界電流密度很高，不能在室溫下實(shí)現(xiàn)連續(xù)受激激發(fā)，導(dǎo)致其幾乎沒(méi)有任何實(shí)用性。因此半導(dǎo)體激光器的研究方向指向了“實(shí)現(xiàn)室溫情況下連續(xù)受激激發(fā)”。

為解決臨界電流密度高的問(wèn)題，科學(xué)家們提出了異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的概念，通過(guò)用不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層組成“結(jié)”，有效地降低了臨界電流密度。1967年，單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器問(wèn)世。與同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器相比，單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器臨界電流密度有了大幅度的下降，但仍處在一個(gè)較高的位置，未能實(shí)現(xiàn)室溫條件下的連續(xù)受激激發(fā)的研究目標(biāo)。盡管如此，單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的歷史地位也不容輕視，它所使用的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)與液相外延技術(shù)，為接下來(lái)的研究提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

穩(wěn)定激發(fā)、提高壽命，半導(dǎo)體激光器走向?qū)嶋H應(yīng)用

異質(zhì)結(jié)構(gòu)的成功運(yùn)用為科學(xué)家指明了方向。既然單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的臨界電流密度仍然偏高，那么雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)效果怎么樣呢？

1969年9月，Leningrad Ioffe研究所發(fā)布了雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器（AlxGa1-xAs－－GaAs）初步的研究成果。1970年初，貝爾實(shí)驗(yàn)室成功降低了雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器的臨界電流密度， 實(shí)現(xiàn)了室溫條件下的連續(xù)受激激發(fā)，宣告雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器面世。同年5月，Leningrad Ioffe研究所也成功實(shí)現(xiàn)雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器在室溫下的連續(xù)受激發(fā)射。

室溫下連續(xù)受激發(fā)射是激光器走向?qū)嵱眯缘牡谝徊健＝鉀Q了室溫下可用，就該考慮室溫下耐用的問(wèn)題了，半導(dǎo)體激光器的研究方向也隨之轉(zhuǎn)向“實(shí)現(xiàn)器件的長(zhǎng)壽命與穩(wěn)定性”。

國(guó)際科研人員通過(guò)不斷改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)，逐步提高了半導(dǎo)體激光器的工作壽命，在1977年實(shí)現(xiàn)了雙異質(zhì)短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器連續(xù)工作1×106個(gè)小時(shí)。此后，美、日等國(guó)就改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)、提高器件穩(wěn)定性、降低損耗等方面展開(kāi)研究，研制出CDH、BH、TJS、CDH等結(jié)構(gòu)的AlGaAs—GaAs激光器，均實(shí)現(xiàn)了溫室下連續(xù)受激激發(fā)及單模化工作。

長(zhǎng)壽命光源的出現(xiàn)，為半導(dǎo)體激光器走向?qū)嶋H應(yīng)用鋪平了道路。研究人員發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)與光纖十分相配，非常適宜用于光纖通信，因此半導(dǎo)體激光器搭上了光纖通信的發(fā)展列車(chē)，在不斷進(jìn)步的同時(shí)也推動(dòng)著光通信行業(yè)的發(fā)展。

光纖通信時(shí)代的半導(dǎo)體激光器

1977年，雙異質(zhì)短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的連續(xù)工作壽命達(dá)到了1×106個(gè)小時(shí)，同年5月，以此為光源的第一代光纖通信系統(tǒng)在美國(guó)正式投入使用。隨著光通信對(duì)信息傳輸大容量、長(zhǎng)中繼的發(fā)展需求，長(zhǎng)波長(zhǎng)、長(zhǎng)壽命半導(dǎo)體激光器的研制工作也隨之展開(kāi)。

1979年，第二代光纖通信系統(tǒng)時(shí)代的來(lái)臨，更寬的波長(zhǎng)范圍對(duì)半導(dǎo)體激光器提出了更高的要求。早在1976年，林肯實(shí)驗(yàn)室成功就研制出了能在室溫下連續(xù)工作的InGaAsP 激光器（波長(zhǎng)為1.1μm）。1977和1979年，美籍華裔科學(xué)家謝肇鑫采用液相外延的方法，在室溫條件下分別實(shí)現(xiàn)1.3μm和1.55μm的InGaAsP激光器的連續(xù)受激激發(fā)。InGaAsP激光器很好地契合了第二代光纖通信系統(tǒng)損耗窗口的波長(zhǎng)范圍，長(zhǎng)波長(zhǎng)、長(zhǎng)壽命的半導(dǎo)體激光器也由此成為國(guó)際上著重關(guān)注的研制對(duì)象。到1988年，InGaAsP激光器的連續(xù)工作壽命達(dá)到了1×105小時(shí)，輸出功率大為提升，同時(shí)臨界電流密度也再次降低。

隨著行業(yè)的發(fā)展，第二代光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足高速發(fā)展的通訊需求，長(zhǎng)距離、大容量成為光纖通信行業(yè)新的方向。此前光纖通信的容量主要受限于激光器多縱模發(fā)射的模式，因此單模模式的長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器成了第三代光纖通信系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。

為了縮窄半導(dǎo)體激光器的線寬，科學(xué)家將光柵技術(shù)引入到半導(dǎo)體激光器的制造中，制造出DFB（無(wú)腔面分布反饋）半導(dǎo)體激光器。這類(lèi)激光器線寬非常窄，接近于單色波激光，此外還可以實(shí)現(xiàn)較寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。這使得 DFB半導(dǎo)體激光器能夠?qū)崿F(xiàn)單縱模發(fā)射，大大提升了光纖通信的傳輸容量。80年代末期，DFB半導(dǎo)體激光器取得一定的成果，大大推動(dòng)了第三代光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展。

高功率半導(dǎo)體激光器蓬勃發(fā)展

隨著量子理論的發(fā)展和科學(xué)家們對(duì)半導(dǎo)體激光器研究的不斷深入，1970年便有人提出了超晶格量子阱的概念，并在GaAs半導(dǎo)體上實(shí)現(xiàn)了超晶體結(jié)構(gòu)。1975年，科學(xué)家利用分子束外延技術(shù)成功研制出第一臺(tái)GaAlAs－GaAs類(lèi)材料的量子阱激光器。但由于技術(shù)不夠完善，首臺(tái)量子阱激光器未能在室溫條件下實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定振蕩。隨著分子束外延技術(shù)不斷完善改進(jìn)，1982年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出臨界電流密度為160A/cm2的半導(dǎo)體量子阱激光器，開(kāi)啟了量子阱激光器研究的帷幕。

此后，量子阱激光器的研究方向主要集中于InGaAlP—GaAs、GaAlAs—GaAs和InGaAsP—InP這三類(lèi)材料上。1986年，應(yīng)變量子阱的概念被提出，優(yōu)化了材料內(nèi)部的價(jià)帶特性，改良了半導(dǎo)體發(fā)光器件的性能。1997年，高功率、長(zhǎng)波長(zhǎng)單量子阱激光器成功研制，大功率半導(dǎo)體激光器的實(shí)用性得以加強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域大為拓展，半導(dǎo)體激光器迎來(lái)蓬勃發(fā)展。

我國(guó)半導(dǎo)體激光器研究歷程

我國(guó)激光技術(shù)的起步稍晚于國(guó)外。在霍爾實(shí)驗(yàn)室研制出半導(dǎo)體激光器一年后，中科院半導(dǎo)體所的王守武小組和長(zhǎng)春光機(jī)所的王乃弘小組先后觀察到砷化鎵二極管的受激成功現(xiàn)象，開(kāi)啟了中國(guó)研究半導(dǎo)體激光器的時(shí)代。在特殊時(shí)期，我國(guó)的科研進(jìn)展受到一定的阻礙，半導(dǎo)體激光器的研究也一度停滯不前。但在這樣的情況下，上光所和半導(dǎo)體所依然克服重重困難，于1970研制出單異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器。

困難時(shí)期結(jié)束后，我國(guó)半導(dǎo)體激光器的研發(fā)駛?cè)肟燔?chē)道，連續(xù)實(shí)現(xiàn)較多突破，到1999年已實(shí)現(xiàn)120mW大功率半導(dǎo)體激光器壽命超越10萬(wàn)小時(shí)。千禧年之后，我國(guó)半導(dǎo)體激光器的研究工作連續(xù)取得突破，相關(guān)企業(yè)也逐漸增多，半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)化之路愈發(fā)通暢。

半導(dǎo)體激光器的工作原理

半導(dǎo)體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個(gè)基本條件 ：

1、增益條件：建立起激射媒質(zhì)（有源區(qū)）內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布，在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級(jí)所組成的能帶 ，因此在半導(dǎo)體中要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個(gè)能帶區(qū)域之間 ，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價(jià)帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注入必要的載流子來(lái)實(shí)現(xiàn)，將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去。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。

2、要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜。對(duì)F—p 腔（法布里—珀羅腔）半導(dǎo)體激光器可以很方便地利用晶體的與 p－n結(jié)平面相垂直的自然解理面構(gòu)成F－p腔。

3、為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場(chǎng)。這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿(mǎn)足一定的電流閥值條件。當(dāng)激光器達(dá)到閥值時(shí)，具有特定波長(zhǎng)的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。

可見(jiàn)在半導(dǎo)體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發(fā)射和光放大過(guò)程。對(duì)于新型半導(dǎo)體激光器而言，人們目前公認(rèn)量子阱是半導(dǎo)體激光器發(fā)展的根本動(dòng)力。

量子線和量子點(diǎn)能否充分利用量子效應(yīng)的課題已延至本世紀(jì)，科學(xué)家們已嘗試用自組織結(jié)構(gòu)在各種材料中制作量子點(diǎn)，而GaInN 量子點(diǎn)已用于半導(dǎo)體激光器。

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(lèi)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。

1、在產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面的應(yīng)用

1） 光纖通信。

半導(dǎo)體激光器是光纖通信系統(tǒng)的唯一實(shí)用化光源，光纖通信已成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。

2） 光盤(pán)存取。

半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于光盤(pán)存儲(chǔ)器，其最大優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)的聲音、文字和圖象信息量很大。采用藍(lán)、綠激光能夠大大提高光盤(pán)的存儲(chǔ)密。

3） 光譜分析。

遠(yuǎn)紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于環(huán)境氣體分析，監(jiān)測(cè)大氣污染、汽車(chē)尾氣等。在工業(yè)上可用來(lái)監(jiān)測(cè)氣相淀積的工藝過(guò)程。

4） 光信息處理。

半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于光信息理系統(tǒng)。表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器二維陣列是光并行處理系統(tǒng)的理想光源，將用于計(jì)算機(jī)和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

5） 激光微細(xì)工。

借助于Q開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的高能量超短光沖，可對(duì)集成電路進(jìn)行切割、打孔等。

6） 激光報(bào)警器。

半導(dǎo)體激光報(bào)警器用途甚廣，包括防盜報(bào)警、水位報(bào)警、車(chē)距報(bào)警等。

7） 激光打印機(jī)。高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于激光打印機(jī)。采用藍(lán)、綠激光能夠大大提高打印速度和分辨率。

8） 激光條碼掃描器。

半導(dǎo)體激光條碼掃描器已經(jīng)廣泛用于商品的銷(xiāo)售，以及圖書(shū)和檔案的管理。

9） 泵浦固體激光器。

這是高功率半導(dǎo)體激光器的一個(gè)重要應(yīng)用，采用它來(lái)取代原來(lái)的氛燈，可以構(gòu)成全固態(tài)激光系統(tǒng)。

10） 高清晰度激光電視。

不久的將來(lái)，沒(méi)有陰極射線管的半導(dǎo)體激光電視機(jī)可以投放市場(chǎng)，它利用紅、藍(lán)、綠三色激光，估計(jì)其耗電量比現(xiàn)有的電視機(jī)低20％。

2、在醫(yī)療和生命科學(xué)研究方面的應(yīng)用

1）激光手術(shù)治療。

半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于軟組織切除，組織接合、凝固和汽化。普通外科、整形外科、皮膚科、泌尿科、婦產(chǎn)科等，均廣泛地采用了這項(xiàng)技術(shù)。

2）激光動(dòng)力學(xué)治療。

將對(duì)腫瘤有親合性的光敏物質(zhì)有選擇地聚集于癌組織內(nèi)，通過(guò)半導(dǎo)體激光照射，使癌組織產(chǎn)生活性氧，旨在使其壞死而對(duì)健康組織毫無(wú)損害。

3）生命科學(xué)研究。

使用半導(dǎo)體激光的“光鑷”，可以撲捉活細(xì)胞或染色體并移至任意位置，已經(jīng)用于促進(jìn)細(xì)胞合成，細(xì)胞相互作用等研究，還可以作為法醫(yī)取證的診斷技術(shù)。