半导体激光器的发展与运用

1 半导体激光器的历史

半导体激光器又称激光二极管 (LD)。随着半导体物理的发展 ,人们早在 20 世纪 50 年代就设想发明半导体激光器。

20 世纪 60 年代初期的半导体激光器是同质结型激光器 ,是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。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(Keyes)和奎斯特(Quist)报告了砷化镓材料的光发射现象。

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,GaAlAs 所组成的激光器。单异质结注人型激光器 (SHLD)，它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在 GaAsP 一 N 结的 P 区之内 ,以此来降低阀值电流密度的激光器。

1970 年 ,人们又发明了激光波长为 9 000? 在室温下连续工作的双异质结 GaAs-GaAlAs( 砷化稼一稼铝砷 ) 激光器 . 在半导体激光器件中 ,目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式 GaAs 二极管激光器 .

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 ( 连续输出功率在 100W 以上 ,脉冲输出功率在 5W 以上 ,均可称之谓高功率半导体激光器 ) 在 20 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.另外 ,还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中 ,可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长 ,可以很方便地对输出光束进行调制。

20 世纪 90 年代末 ,面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展。

目前 ,垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络 ,为了满足 21 世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要 ,半导体激光器的发展趋势主要是向高速宽带 LD、大功率 LD,短波长 LD,盆子线和量子点激光器、中红外 LD 等方面发展。

2 半导体激光器的应用

半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器。目前 ,已经广泛应用于通讯、测距、精密仪器加工 ,光集成的信息存储和信息处理等。在光纤通讯中 ,半导体激光器是光纤通讯系统的唯一实用化的光源 ,而且光纤通讯已经成为当代通讯的主流。到如今 ,它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。

在激光测距中 ,激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确 ,其误差仅为其它光学测距仪的 1/5 到数百分之一 ,因而被广泛用于地形测量 ,战场测量 ,坦克 ,飞机 ,舰艇和火炮对目标的测距 ,测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。在精密仪器加工中 ,借助 Q 开关半导体激光器产生的高能量超短光脉冲 ,可以对集成电路进行切割、打孔等。

在光集成的信息存储应用中 ,人们采用短激光波长读出光盘的内容 ,采用蓝、绿激光来提高光盘的存储密度。在信息处理应用中 ,表面发射半导体激光器二维阵列是光并行处理系统的理想光源 ,且用于光计算机和神经网络中。此外 ,半导体激光器还运用在环境检测和医疗中。在环境检测中 ,通过分析光谱来分析环境气体 ,从而监测大气污染、汽车尾气等。在医疗方面 ,半导体激光除了用于软组织切除 ,组织接合 ,凝固和汽化等外 ,还用于激光动力学治疗 ,将与肿瘤有亲和性的光敏物质有选择地聚集在癌组织内 ,通过半导体激光的照射 ,使癌组织坏死 ,而对健康组织毫无损害。

3 结论

半导体激光器的波长范围宽 ,制作简单、成本低、易于大量生产 ,并且体积小、重量轻、寿命长。因此 ,品种发展快 ,运用十分广泛。虽然我国半导体激光器的研制和生产技术有了一定的基础 ,但要与国际上迅速发展的趋势相比 ,我国还有一些差距 ,这需要我们刻苦专研 ,努力创新。

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