?激光二極管(Laser Diode)?，也被稱(chēng)為半導(dǎo)體激光器，是一種將電能直接轉(zhuǎn)換為一束聚焦光的半導(dǎo)體設(shè)備。它利用半導(dǎo)體pn結(jié)將電流轉(zhuǎn)換成光能，并通過(guò)電子和空穴的復(fù)合產(chǎn)生激光?12。

基本原理

激光二極管的工作原理基于受激輻射光放大(LASER)現(xiàn)象。當(dāng)激光二極管被正向偏壓時(shí)，電子和空穴在pn結(jié)中發(fā)生重組，釋放出光子。這些光子在反射面之間來(lái)回反射，撞擊其他原子，導(dǎo)致更多的光子發(fā)射，最終形成一束強(qiáng)烈的激光從部分反射表面射出。這種激光具有相干性，即所有發(fā)射的光子具有相同的頻率和相位?12。

應(yīng)用領(lǐng)域

激光二極管因其優(yōu)異的指向性和直進(jìn)性，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域：

?光通信?：用于光纖通信，提供高速數(shù)據(jù)傳輸。

?醫(yī)療?：在手術(shù)、治療和診斷中發(fā)揮作用。

?感測(cè)?：用于精密測(cè)量和傳感器技術(shù)。

?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?：如CD/DVD的讀寫(xiě)。

?休閑娛樂(lè)?：如激光指示器和激光打印機(jī)?12。

歷史背景

激光二極管的歷史可以追溯到1917年愛(ài)因斯坦提出的“受激輻射”理論。1953年，德國(guó)人約翰·馮·諾依曼首次描述了半導(dǎo)體激光器的概念。1962年，同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的砷化鎵(GaAs)半導(dǎo)體激光器問(wèn)世，標(biāo)志著相干光技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。1970年代，隨著雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，室溫下連續(xù)振蕩成為可能，半導(dǎo)體激光器技術(shù)迅速發(fā)展?1。

激光二極管(半導(dǎo)體激光器)是一種利用半導(dǎo)體pn結(jié)將電流轉(zhuǎn)換成光能并產(chǎn)生激光的電子器件。激光二極管具有優(yōu)異的指向性和直進(jìn)性，作為一種容易控制能量的光源，被廣泛應(yīng)用于光通信、醫(yī)療、感測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和休閑娛樂(lè)等領(lǐng)域。其基本原理是利用電子和空穴復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的光。目前市場(chǎng)上已有不同波長(zhǎng)和輸出特性的眾多產(chǎn)品。本文將詳細(xì)介紹激光二極管的基本原理、結(jié)構(gòu)、材料、種類(lèi)和應(yīng)用。激光二極管(Laser Diode)也被稱(chēng)為“半導(dǎo)體激光器”?！凹す狻笔恰癓ight Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母縮寫(xiě)，意為“受激輻射光放大”。自然光和LED光即使波長(zhǎng)恒定，其相位差不恒定，波形也不整齊。而激光是僅放大特定波長(zhǎng)的“相干(coherent)”光。相干光源因其相位差恒定、波形一致，可利用干涉使焦點(diǎn)非常小(數(shù)um~)，從而可用于光開(kāi)關(guān)和光調(diào)制等各種應(yīng)用中。

激光二極管的歷史始于1917年，當(dāng)時(shí)阿爾伯特·愛(ài)因斯坦首次將“受激輻射”現(xiàn)象形成理論，奠定了所有激光技術(shù)的基礎(chǔ)。后來(lái)，德國(guó)人約翰·馮·諾依曼于1953年在一份未發(fā)表的手稿中描述了半導(dǎo)體激光器的概念。1957年，美國(guó)人戈登·古爾德提出可以利用受激輻射現(xiàn)象來(lái)放大光，并將其命名為“LASER(受激輻射光放大)”。就這樣，隨著各國(guó)科學(xué)家對(duì)激光器的研究不斷取得進(jìn)展，1962年同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的砷化鎵(GaAs)半導(dǎo)體激光器問(wèn)世，相干光技術(shù)得到實(shí)際驗(yàn)證，同年，可見(jiàn)光振蕩也獲得成功。然而，這個(gè)時(shí)代的半導(dǎo)體激光器存在室溫下連續(xù)振蕩方面的課題。1970年，雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)使得室溫下的連續(xù)振蕩成為可能。1970年代之后，半導(dǎo)體激光器技術(shù)迅速發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

半導(dǎo)體是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)電的“導(dǎo)體”和不易導(dǎo)電的“絕緣體(非導(dǎo)體)”之間的物質(zhì)。導(dǎo)體包括鐵、金等金屬物質(zhì)，絕緣體包括橡膠、玻璃等物質(zhì)。半導(dǎo)體可以通過(guò)使其導(dǎo)電或不導(dǎo)電來(lái)控制電流。另外，在某些使用方式下，還可以在光能和電能之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。

通常，二極管的元件主要由硅(Si)制成。硅(Si)是最典型的半導(dǎo)體材料。硅以“硅石(SiO2：主要成分是二氧化硅的石頭”的形式存在于自然界中，是一種資源豐富的材料。因其易于加工而被廣泛應(yīng)用于很多半導(dǎo)體產(chǎn)品中。

硅(Si)作為半導(dǎo)體材料，本來(lái)是絕緣體，幾乎沒(méi)有作為載流子的自由電子。因此，通過(guò)向硅(Si)中添加其他雜質(zhì)來(lái)提高硅(Si)中的載流子濃度，從而提高其電導(dǎo)率。像這樣通過(guò)添加雜質(zhì)來(lái)增加載流子的半導(dǎo)體被稱(chēng)為“雜質(zhì)半導(dǎo)體”。載流子包括自由電子和自由空穴，其中使自由電子載流子增加的半導(dǎo)體稱(chēng)為“n型半導(dǎo)體”，使自由空穴載流子增加的半導(dǎo)體稱(chēng)為“p型半導(dǎo)體”。

* p型半導(dǎo)體(+：positive，空穴多的半導(dǎo)體)、n型半導(dǎo)體(-：negative，電子多的半導(dǎo)體)

二極管的元件是p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體連接的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為“pn結(jié)”。p型半導(dǎo)體的引腳稱(chēng)為“陽(yáng)極”，n型半導(dǎo)體的引腳稱(chēng)為“陰極”，電流是從陽(yáng)極流向陰極的。

優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)

效率高：激光二極管具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。

體積小：相對(duì)于其他激光器，激光二極管具有更小的體積。

響應(yīng)速度快：能夠快速調(diào)制和響應(yīng)，適合高速通信。

成本低：生產(chǎn)成本相對(duì)較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

應(yīng)用

光纖通信：作為光源用于長(zhǎng)距離和高速的數(shù)據(jù)傳輸。

光盤(pán)讀取和刻錄：用于CD、DVD、Blu-ray等光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。

條碼掃描：激光掃描儀用來(lái)讀取條碼。

醫(yī)療設(shè)備：用于激光手術(shù)和各種醫(yī)療診斷設(shè)備。

激光顯示：用于投影儀和顯示屏等。

常見(jiàn)類(lèi)型

邊發(fā)射激光二極管(Edge Emitting Laser Diode，EEL)：光從半導(dǎo)體晶片的側(cè)面發(fā)出。

垂直腔面發(fā)射激光二極管(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)：光垂直于半導(dǎo)體晶片表面發(fā)出。

激光二極管因其多功能性和廣泛應(yīng)用，已成為現(xiàn)代科技的重要組成部分。