半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管，是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，不同種類產(chǎn)生激光的具體過程比較特殊。常用工作物質(zhì)有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種形式。 半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫時(shí)多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。半導(dǎo)體二極管激光器是最實(shí)用最重要的一類激光器。它體積小、壽命長，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦，其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可與之單片集成。并且還可以用高達(dá)GHz的頻率直接進(jìn)行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體二極管激光器在激光通信、光存儲(chǔ)、光陀螺、激光打印、測(cè)距以及雷達(dá)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體激光(Semiconductor laser)在1962年被成功激發(fā)，在1970年實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)輸出。后來經(jīng)過改良，開發(fā)出雙異質(zhì)接合型激光及條紋型構(gòu)造的激光二極管(Laser diode)等，廣泛使用于光纖通信、光盤、激光打印機(jī)、激光掃描器、激光指示器(激光筆)，是生產(chǎn)量最大的激光器。半導(dǎo)體激光器在基本構(gòu)造上，它屬于半導(dǎo)體的P-N接面，但激光二極管是以金屬包層從兩邊夾住發(fā)光層(有源層)，是“雙異質(zhì)結(jié)接合構(gòu)造”。而且在激光二極管中，將界面作為發(fā)射鏡(諧振腔)使用。在使用材料方面，有鎵(Ga)、砷(As)、銦(In)、磷(P)等。此外在多量子阱型中，也使用Ga·Al·As等。

半導(dǎo)體激光器，又稱激光二極管，是一種采用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)而產(chǎn)生激光的器件。自1962年首次被成功激發(fā)以來，半導(dǎo)體激光器經(jīng)歷了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)今光電子科學(xué)領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。以下是對(duì)半導(dǎo)體激光器的詳細(xì)介紹，包括其構(gòu)造、工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)等方面。

一、構(gòu)造及材料

半導(dǎo)體激光器的基本構(gòu)造基于半導(dǎo)體的P-N接面，但激光二極管通常采用雙異質(zhì)結(jié)接合構(gòu)造，即以金屬包層從兩邊夾住發(fā)光層(有源層)。這種結(jié)構(gòu)有助于實(shí)現(xiàn)高效的激光輸出。在工作材料方面，半導(dǎo)體激光器常用的工作物質(zhì)包括砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。此外，隨著技術(shù)的進(jìn)步，還開發(fā)了多量子阱型半導(dǎo)體激光器，如Ga·Al·As等材料的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了激光器的性能。

二、工作原理

半導(dǎo)體激光器的工作原理主要基于半導(dǎo)體材料的能帶理論和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)原理。半導(dǎo)體材料中的電子能級(jí)形成能帶，高能量的為導(dǎo)帶，低能量的為價(jià)帶，兩帶之間被禁帶分開。當(dāng)半導(dǎo)體材料受到外部激勵(lì)(如電注入、光泵浦或高能電子束激勵(lì))時(shí)，會(huì)在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間產(chǎn)生非平衡載流子(電子和空穴)。當(dāng)這些載流子復(fù)合時(shí)，會(huì)釋放出能量并以光子的形式輻射出去，形成光的受激發(fā)射。

在半導(dǎo)體激光器中，為了實(shí)現(xiàn)激光輸出，必須滿足三個(gè)基本條件：一是要產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒子數(shù);二是要有一個(gè)合適的諧振腔，它通常由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成，用于反饋受激輻射光子并產(chǎn)生激光振蕩;三是要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。當(dāng)這些條件得到滿足時(shí)，激光器就能連續(xù)輸出穩(wěn)定的激光束。

三、特點(diǎn)

半導(dǎo)體激光器具有一系列顯著的特點(diǎn)，使其成為許多應(yīng)用領(lǐng)域的首選光源：

體積小、重量輕 ：半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶和安裝，適用于各種空間受限的場合。

效率高、壽命長 ：半導(dǎo)體激光器的能量轉(zhuǎn)化效率高，且工作壽命長，能夠長期穩(wěn)定地工作。

易于調(diào)制 ：半導(dǎo)體激光器可以直接通過電流調(diào)制來實(shí)現(xiàn)激光輸出的快速變化，適用于需要高速調(diào)制的應(yīng)用場景。

與半導(dǎo)體制造技術(shù)兼容 ：半導(dǎo)體激光器的制造工藝與半導(dǎo)體電子器件和集成電路的生產(chǎn)工藝相似，便于實(shí)現(xiàn)光電子集成。

波長范圍廣 ：半導(dǎo)體激光器的輸出波長涵蓋了紅外線到可見光范圍，能夠滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

四、應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域：

光纖通信 ：半導(dǎo)體激光器是光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵光源之一。它提供的光信號(hào)具有高帶寬、低損耗和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使得光纖通信成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。

光盤存取 ：半導(dǎo)體激光器已廣泛應(yīng)用于光盤存儲(chǔ)器中。其高功率、高穩(wěn)定性和長壽命等特點(diǎn)使得光盤存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)大量的聲音、文字和圖像信息。

激光打印與掃描 ：高功率半導(dǎo)體激光器在激光打印機(jī)和激光掃描器中得到了廣泛應(yīng)用。它們能夠提供高質(zhì)量的打印和掃描效果，并顯著提高工作效率。

光譜分析與環(huán)境監(jiān)測(cè) ：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)大氣污染和汽車尾氣等領(lǐng)域。它們能夠精確測(cè)量氣體成分和濃度，為環(huán)境保護(hù)提供有力支持。

激光微細(xì)加工 ：借助于Q開關(guān)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的高能量超短光沖，可以對(duì)集成電路進(jìn)行切割、打孔等微細(xì)加工操作。這種加工方式具有精度高、速度快和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

軍事與安防 ：半導(dǎo)體激光器在軍事和安防領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。例如，激光雷達(dá)可用于目標(biāo)跟蹤和定位;激光制導(dǎo)武器能夠提高導(dǎo)彈的打擊精度;激光報(bào)警器可用于防盜和水位監(jiān)測(cè)等場合。

五、發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求的不斷增加，半導(dǎo)體激光器正朝著更高性能、更廣泛應(yīng)用的方向發(fā)展：

高功率化 ：為了滿足工業(yè)加工、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域的需求，半導(dǎo)體激光器正不斷向高功率方向發(fā)展。通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和改進(jìn)制造工藝，可以實(shí)現(xiàn)更高功率的激光輸出。

集成化與模塊化 ：隨著光電子集成技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器正逐漸實(shí)現(xiàn)與其他光電子器件的集成化。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)也使得半導(dǎo)體激光器更加便于安裝和維護(hù)。

波長可調(diào)諧化 ：為了滿足不同應(yīng)用場景的需求，半導(dǎo)體激光器正朝著波長可調(diào)諧化方向發(fā)展。通過改變器件結(jié)構(gòu)或采用特殊材料，可以實(shí)現(xiàn)激光波長的連續(xù)可調(diào)諧或離散可調(diào)諧。

智能化與網(wǎng)絡(luò)化 ：隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器也在向智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向邁進(jìn)。這包括激光器的遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)調(diào)節(jié)、故障診斷以及與其他智能設(shè)備的無縫連接。通過集成傳感器、微處理器和通信模塊，半導(dǎo)體激光器可以實(shí)時(shí)反饋其工作狀態(tài)，并根據(jù)環(huán)境條件或用戶需求自動(dòng)調(diào)整輸出功率、波長等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化管理。

低成本化與普及化 ：隨著生產(chǎn)工藝的成熟和規(guī)?；a(chǎn)的推進(jìn)，半導(dǎo)體激光器的制造成本將進(jìn)一步降低，使得其更加普及化。低成本化將推動(dòng)半導(dǎo)體激光器在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，如消費(fèi)電子、智能家居、健康醫(yī)療等，為人們的生活帶來更多便利。

新型材料與結(jié)構(gòu)的研究 ：為了突破現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器的性能極限，科學(xué)家們正積極探索新型半導(dǎo)體材料和結(jié)構(gòu)。例如，二維材料(如石墨烯、黑磷等)因其獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，在半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。此外，量子點(diǎn)、量子阱等納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，也為提高激光器的效率和穩(wěn)定性提供了新的途徑。

光纖激光器的主要特性是器件體積小，靈活。激光輸出譜線多，單色性好，調(diào)諧范圍寬。并且其性能與光偏振方向無關(guān)器件與光纖的耦合損耗小。轉(zhuǎn)換效率高，激光聞值低。光纖的幾何形狀具有很低的體積和表面積，再加上在單模狀態(tài)下激光與泵浦可充分耦合。

半導(dǎo)體激光器易與其他半導(dǎo)體器件集成。具有的特性是可直接電調(diào)制，易于與各種光電子器件實(shí)現(xiàn)光電子集成，體積小重量輕，驅(qū)動(dòng)功率和電流較低，效率高、工作壽命長，與半導(dǎo)體制造技術(shù)兼容，可大批量生產(chǎn)

光纖激光器主要應(yīng)用于激光光纖通訊、激光空間遠(yuǎn)距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標(biāo)激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接(銅焊、淬水、包層以及深度焊接 )、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)，作為其他激光器的泵浦源等等

半導(dǎo)體激光器在激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)和跟蹤、引燃引爆、自動(dòng)控制、檢測(cè)儀器等方面有廣泛應(yīng)用。