半導體激光器是什么？

半導體激光器是一種把電能轉換為光能的新型器件。1962年有人研究成功在液氮溫度下，正向偏置的砷化鎵PN結激光器。以后又研究成功了雙異質結的半導體激光器，使半導體激光器的性能有了進一步的提高。半導體激光器具有體積小、牢固可靠、效率高可以直接由注入電流激勵或調制等優點。它在光纖通訊、工業、醫學等許多領域有著重要的應用。

一、什么叫激光

假設一個原子有兩個能量狀態E1和E2。處在E1的原子能量較低，我們稱它為基態；處在E2的原子能量較高，稱為激發態。在通常情況下，大部分原子都處于能量較低的E1狀態。如果該原子受到光照，而且光波的頻率v與這兩個能量狀態的能量具有關系，那末，原子會吸收光子的能量從基態激發到激發態，這就是吸收過程。處在激發態的原子是不穩定的，經過一定時間后，它會從激發態回到基態，同時放出一個能量為h的光子，這個過程稱為自發射。但也有可能發生另一種情況，當原子還處在激發態時，又有一個能量為M的光子作用于它，這時，這個原子會受到光子的激勵立即從激發態回到基態同時能放出兩個光子，這個過程稱為受激發射。我們注意到，受激發射所產生的光子是激勵后產生的，所以它的頻率、相位等都與激勵它的光子完全相同。

可以用一定的辦法使處在激發態的原子數比處在基態的原子數還要多。我們把處在這種情況下的系統分布稱為粒子數反轉分布。如果一束能量的光子作用于一個已經達到粒子數反轉的系統上，那末，受激發射的過程將超過吸收過程。也就是說離開這個系統的、能量的光子將比進入這個系統的光子多。這種現象稱為光量子放大。人們把受激發射光量子放大所產生的光稱為激光。與普通光相比，激光具有許多特殊的性質。它是一種亮度極高，方向性和單色性很好的相干光輻射。

二、半導體激光器

與上述原理相似，利用半導體材料中的電子能級以及它們之間的躍遷發光，可以制成半導體激光器。用擴散的方法形成PN結，垂直于PN結的一對平行平面是光學平面，它們是利用砷化鎵材料兩個平行的解理面形成的，構成所謂諧振腔，前后是兩個粗糙的平面在PN結上加正向偏壓，并且使正向偏壓足夠大。由于大量的少數載流子注入，在PN結的空間電荷區附近存在一個粒子數反轉分布的區域，我們稱為“有源區”。一對平行的光學平面限制了部分光的透射。光在內部來回反射，逐漸增強，最后形成激光輸出。粗糙表面的作用是使激光輸出限制在一個方向上。

半導體激光器的主要特性參數有閾值電流、功率效率、峰值發射波長和譜線寬度。閾值電流表示激光器產生激光所需的最小工作電流。功率效率表示輸出的光功率與注入的電功率之比。峰值發射波長是激光輻射強度最大處的波長。光譜線最大強度的一半所對應的兩個波長之差稱為譜線寬度。

由同一種半導體材料構成的PN結稱為同質結。由兩種不同材料構成的PN結稱為異質結。為了提高半導體激光器的性能，已經改進和研制了不同結構的激光器。現在正在積極發展與研究適用于光纖通訊的長波長（工作波長為1.3微米和1.5微米）的雙異質結激光器。制造在室溫下連續工作的長壽命半導體激光器是半導體激光器研制的重要課題。隨著對激光器退化機理的研究以及材料和工藝的改進，半導體激光器將開拓更廣闊的道路。