浅谈半导体激光器

半导体材料与器件课程结业论文论文题目：浅谈半导体激光器学院：材料科学与工程学院班级：料*班老师：*学生：*学号：*浅谈半导体激光器摘要：半导体激光器已经问世半个世纪以来，已经深刻地已经到了人类的生活、生产的各个方面。本文尝试总结了有关半导体激光器的知识及其研究发展现状，希望能够为大家更加深刻地认识半导体激光器提供帮助。关键字：半导体激光器0 引言 半导体激光器的应用范围十分广泛，而且由于它的体积小，结构简单，输入能量低，寿命长，易于调制和价格低等优点，使它已经成为当今光电子科学的核心技术，受到了世界各国的高度重视。1 半导体激光器的产生及发展历程半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器。早在1953年，美国的冯.纽曼(John Von Neumann)第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性，认为可以通过向PN结注入少量载流子来实现受激发，即现在半导体材料加工中的掺杂。继冯.纽曼之后，巴丁(J.Bardeen)进一步提出通过各种方法扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高。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，直接促使了1962年的第一个半导体激光器的诞生。第一代半导体激光器是同质结型激光器，只能以脉冲形式工作。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。 11970年，人们又发明了双异质结GaAs-GaAlAs( 砷化稼一稼铝砷) 激光器，波长为900nm。能够在室温下持续工作。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。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。应用中得以发展起来的半导体激光器还有可协调半导体激光器，通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂等改变激光的波长，可以很方便地对输出光束进行调制。分布反馈（DF）式半导体激光器极大地促进了信息技术的发展，实现了单纵模运作，优点是易于获得单模单频输出，容易与纤维光缆、调制器等耦合，特别适宜作集成光路的光源。2半导体激光器的原理半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：（1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。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，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS) 等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。光泵式半导体激光器，一般用 N 型或 P 型半导体单晶（如 GaAS,InAs,InSb 等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用 N 型或者 P 型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO 等) 做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式 GaAs 二极管。3 半导体激光器的应用半导体激光器与普通激光器相比具有：(1)体积小，重量轻；(2)驱动功率和电流较低；(3) 效率高、工作寿命长；(4) 可直接电调制；(5)易于与各种光电子器件实现光电子集成；(6)与半导体制造技术兼容，可大批量生产。正是由于其自身优良的性能，半导体激光器自问世以来，凭借着自身优良的性能和特点，得到各国的关注与积极研究，成为世界上发展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化且产值最大的一类激光器。在工业生产中，大功率半导体激光器可以基于光学方法产生完美焊缝，使用半导体激光器进行焊接的一个独到之处在于可以进行“穿透焊接” ，焊头的形状可以千变万化，与传统焊接相比，可以大幅减少加工量。而且，半导体激光器不仅可以对金属进行焊接，还可以对塑料进行焊接，根据不同的有机材料吸收不同频率光波能力不同，可以选择合适的激光进行焊接，无须使用挥发性的有机溶剂和粘结剂，对我们的环境是大有裨益的。远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析,监测大气污染、汽车尾气等。在工业上可用来监测气相淀积的工艺过程。 2借助于Q开关半导体激光器产生的高能量超短光脉冲 ,可对集成电路进行切割、打孔等。 3半导体激光条码扫描器已经广泛用于商品的销售，以及图书和档案的管理。 3在医学领域，半导体激光已经用于软组织切除,组织接合、凝固和汽化普通外科、整形外科、皮肤科、泌尿科、妇产科等, 均广泛地采用了这项技术。在针灸科中，用低能量激光束聚焦和扩束照射穴位代替针具和灸具,不会损坏病人的神经和血管,也不会留下灼伤或其它伤痕,对表面溃烂部位亦可施行治疗,比传统的金针更安全,更方便。半导体激光器作为激光光针照射穴位，还可对高血压、中风、偏瘫等疾病有一定的疗效。低功率的(2W)Nd:YAG 激光器还可以用来治疗眼科疾病。在光动力学疗法就是结合采用药物和半导体激光器可以用来治疗癌症的。在普外科手术中,激光器可用作易于控制的强热源，用于治疗粉刺、瘢疤平整、糖尿病性溃疡、久治不愈的老伤等外科疾病。在前沿的医学领域，有关专家已经开展了激光在神经修复方面的实验，即神经焊接，并取得了一定的成果。表1 医用半导体激光器的应用状况 4在军事上，半导体激光器得到应用，因为半导体激光器列阵具有体积小、功率大、效率高、可靠性好，当波长在红外范围内时，还具有隐蔽性好等优点，所以它已成为最具有竞争力的军用激光光源。无论是为单体作战的士兵、坦克提供激光测距，还是为各种制导导弹提供信息传输、激光制导都有不俗的表现。大功率的半导体激光器甚至还可以被研制成激光武器，敌方的导弹、飞机，甚至敌方目标予以毁灭性的打击。在信息技术领域，光纤通信是半导体激光可预见的最重要的应用领域，一方面是世界范围的远距离海底光纤通信，另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。随着信息化社会的到来，高速率信息流的载人、传输、交换、处理及存储是技术关键，半导体光电子技术是支柱之一，而半导体光电子器件，特别是半导体激光器是心脏。可以预期，以半导体激光器为核心的半导体光电子技术必将在今后的信息社会中取得更大的进展，发挥更大的作用。4 结束语诞生于上世纪 60 年代的半导体激光器以其独特的独特的优点和性能得到了广泛的关注与研究，并得以不断发展，应用领域不断地扩展，应用方式不断创新，至今仍然充满了生机与活力。在医学、工业、军事、信息技术等各个领域遇着广泛的应用前景。参考文献1石飞飞.半导体就刚起的历史状况及应用