半导体激光器

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半导体激光器

定义:利用半导体作为增益介质的激光器。

半导体激光器是采用半导体增益介质激光器,其中在导带具有很高载流子浓度的情况下,会实现带间受激辐射,产生增益。

半导体中增益产生的物理机制如图1所示(正常的带间跃迁情况)。不存在泵浦光的情况下,大部分的电子处于价带。泵浦光束中光子能量只要稍大于带隙能量,就可以将电子激发到导带中的较高态,然后迅速衰变到导带中接近导带底的态上。同时,价带中产生的空穴往价带顶移动。导带中的电子和这些空穴重新复合,产生能量接近于带隙能量的光子。这一过程也可由具有合适能量的入射光子激发。对这一过程的定量描述可以采用价带导带电子的费米-狄拉克分布来得到。

大多数半导体激光器都是激光二极管,是由电流泵浦n型掺杂和p型掺杂半导体材料复合区域。但是,也有光学泵浦的半导体激光器,其中载流子由被吸收的泵浦光产生,还有量子级联激光器,利用了带间跃迁。

图1:半导体增益的物理解释。

常见的半导体激光器材料为(以及其它光电器件):

  1. GaAs(砷化镓)
  2. AlGaAs(铝镓砷)
  3. GaP(磷化镓)
  4. InGaP(铟镓磷)
  5. GaN(氮化镓)
  6. InGaAs(铟镓砷)
  7. InGaNAs(铟镓氮砷)
  8. InP(磷化铟)
  9. GaInP(磷化镓铟)

这些都是直接带隙半导体,间接带隙半导体(例如,硅)不能进行强的、有效的光辐射。由于激光二极管的光子能量接近于带隙能量,因此不同带隙能量的组分可以辐射不同的波长。对于三元和四元半导体化合物来说,带隙能量可以连续的在很大范围内变化。例如,在AlGaAs(AlxGa1−xAs)中,提高铝的含量(即增大x)可以提高带隙能量。

大多数半导体激光器是工作在近红外光谱区域,还有一些产生红光(例如,在GaInP激光笔)或者蓝光或者紫光(采用氮化镓)。对于中红外辐射,有硒化铅(PbSe)激光器(铅盐激光器)和量子级联激光器

除了以上提到的无机半导体,有机半导体化合物也可以用到半导体激光器中。对应的技术还不是特别成熟,但是发展还在继续,为了找到一种大规模生产这种激光器的方法。到目前为止,只存在光学泵浦的有机半导体激光器,但由于各种原因采用电泵浦很难达到很高的效率。


目录

半导体激光器的类型

有很多种类的半导体激光器,具有不同的参数并且应用到不同的领域:

  1. 小的边发射激光二极管产生几个毫瓦的输出功率(或者达到0.5W),光束具有很高的光束质量。它们可以用作激光笔,CD播放器和光纤通信中。
  2. 外腔二极管激光器包含激光二极管作为长的激光腔中的增益介质。它们通常是波长可调的,辐射线宽也很小。
  3. 单片和外腔的低功率激光器都可以进行锁模产生超短脉冲。
  4. 大面积激光二极管产生几个瓦特的输出功率,但是光束质量非常差。
  5. 高功率二极管线阵包含一列大面积发射器,产生光束质量差的几十瓦的输出功率。
  6. 高功率堆积二极管线阵包含二极管线阵的堆积,产生成百上千瓦的极高功率。
  7. 边发射激光器(VCSELs)辐射激光的方向垂直于薄片,光束质量很高,约为几毫瓦。
  8. 光学泵浦的表面发射外腔半导体激光器(VECSELs)可以产生几瓦的输出功率,光束质量很高,甚至可以实现锁模
  9. 量子级联激光器工作在带内跃迁(而不是带间跃迁),通常辐射中红外光,有时在太赫兹区域。它们可以用于痕量气体分析。


典型特点和应用

半导体激光器的一些特点包括:

  1. 适当电压进行电学泵浦和高效率尤其在高功率二极管激光器中可以实现,并且可以作为高效固态激光器的泵浦光源(参阅二极管泵浦激光器)。
  2. 采用不同的装置可以得到很宽的波长范围,覆盖了可见光、近红外光和中红外光谱区域。这些装置还可以被波长调谐。
  3. 小的激光二极管可以实现快速的开关和调制光功率,因此可以用作光纤链路中的发射器。

以上的特性使半导体激光器为最重要的一种激光器。它的应用非常广泛,包括光学数据传输,光学数据存储,测量,光谱学,材料加工,泵浦固态激光器(参阅二极管泵浦激光器)和其它各种的医学治疗。


脉冲输出

大部分半导体激光器产生的都是连续输出。由于它们的能量存储能力较差(很短的上能态寿命),半导体激光器非常适合采用Q开关得到脉冲产生,但是准连续光工作可以得到更大的功率。并且,半导体激光器利用锁模增益开关可以产生超短脉冲。短脉冲的平均输出功率最多为几个毫瓦,光学泵浦的边发射外腔半导体激光器(VECSELs)除外,后者可以产生平均输出功率为几瓦的皮秒脉冲,其重复速率为GHz量级。


调制和稳定

上能态寿命短的好处就是半导体激光器可以由非常高的频率进行调制,对于VCSELs,调制频率可达几十GHz。这在光学数据传输中应用比较多,还可以用在光谱学,将激光器稳定到参考腔上等。

参考文献

[1] J. V. Moloney et al., “Quantum design of semiconductor active materials: laser and amplifier applications”, Laser & Photon. Rev. 1 (1), 24 (2007)

[2] W. W. Chow and S. W. Koch, Semiconductor-Laser Fundamentals, Springer, Berlin (1999)

[3] B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, John Wiley & Sons, Inc., New York (1991)


参阅:激光器激光二极管外腔二极管激光器大面积激光二极管二极管线阵二极管堆边发射半导体激光器表面反射半导体激光器量子级联激光器锁模二极管激光器半导体光放大器