半导体激光器

半导体激光器是一种把电能转换为光能的新型器件。1962年有人研究成功在液氮温度下，正向偏置的砷化镓PN结激光器。以后又研究成功了双异质结的半导体激光器，使半导体激光器的性能有了进一步的提高。半导体激光器具有体积小、牢固可靠、效率高可以直接由注入电流激励或调制等优点。它在光纤通讯、工业、医学等许多领域有着重要的应用。

假设一个原子有两个能量状态E1和E2。处在E1的原子能量较低，我们称它为基态；处在E2的原子能量较高，称为激发态。在通常情况下，大部分原子都处于能量较低的E1状态。如果该原子受到光照，而且光波的频率v与这两个能量状态的能量具有关系，那末，原子会吸收光子的能量从基态激发到激发态，这就是吸收过程。处在激发态的原子是不稳定的，经过一定时间后，它会从激发态回到基态，同时放出一个能量为h的光子，这个过程称为自发射。但也有可能发生另一种情况，当原子还处在激发态时，又有一个能量为M的光子作用于它，这时，这个原子会受到光子的激励立即从激发态回到基态同时能放出两个光子，这个过程称为受激发射。我们注意到，受激发射所产生的光子是激励后产生的，所以它的频率、相位等都与激励它的光子完全相同。

可以用一定的办法使处在激发态的原子数比处在基态的原子数还要多。我们把处在这种情况下的系统分布称为粒子数反转分布。如果一束能量的光子作用于一个已经达到粒子数反转的系统上，那末，受激发射的过程将超过吸收过程。也就是说离开这个系统的、能量的光子将比进入这个系统的光子多。这种现象称为光量子放大。人们把受激发射光量子放大所产生的光称为激光。与普通光相比，激光具有许多特殊的性质。它是一种亮度极高，方向性和单色性很好的相干光辐射。

与上述原理相似，利用半导体材料中的电子能级以及它们之间的跃迁发光，可以制成半导体激光器。用扩散的方法形成PN结，垂直于PN结的一对平行平面是光学平面，它们是利用砷化镓材料两个平行的解理面形成的，构成所谓谐振腔，前后是两个粗糙的平面在PN结上加正向偏压，并且使正向偏压足够大。由于大量的少数载流子注入，在PN结的空间电荷区附近存在一个粒子数反转分布的区域，我们称为“有源区”。一对平行的光学平面限制了部分光的透射。光在内部来回反射，逐渐增强，最后形成激光输出。粗糙表面的作用是使激光输出限制在一个方向上。

半导体激光器的主要特性参数有阈值电流、功率效率、峰值发射波长和谱线宽度。阈值电流表示激光器产生激光所需的最小工作电流。功率效率表示输出的光功率与注入的电功率之比。峰值发射波长是激光辐射强度最大处的波长。光谱线最大强度的一半所对应的两个波长之差称为谱线宽度。

由同一种半导体材料构成的PN结称为同质结。由两种不同材料构成的PN结称为异质结。为了提高半导体激光器的性能，已经改进和研制了不同结构的激光器。现在正在积极发展与研究适用于光纤通讯的长波长（工作波长为1.3微米和1.5微米）的双异质结激光器。制造在室温下连续工作的长寿命半导体激光器是半导体激光器研制的重要课题。随着对激光器退化机理的研究以及材料和工艺的改进，半导体激光器将开拓更广阔的道路。