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一文看懂半導體激光器發展歷程及應用現狀

OFweek 2019-06-05 13:57:10

[導讀] 激光技術已成為現代生活中不可替代的技術之一,不論是工業加工、醫療美容、光纖通信,還是近年來火熱的無人駕駛、智能機器人等,都與激光技術息息相關。今天我們主角是半導體激光器,小編將帶大家一起回顧它的發展歷程及應用現狀。

激光技術已成為現代生活中不可替代的技術之一,不論是工業加工、醫療美容、光纖通信,還是近年來火熱的無人駕駛、智能機器人等,都與激光技術息息相關。今天我們主角是半導體激光器,小編將帶大家一起回顧它的發展歷程及應用現狀。

從理論發展到實驗室研制

激光的起源可以追溯到1916年愛因斯坦發布的《關于輻射的量子理論》 一文。愛因斯坦首次提出受激輻射理論,為日后激光的發展提供了理論基礎。40年后,關于能否用半導體材料形成激光的話題開始被物理學家注意,艾格瀚等科學家提出了許多半導體激光器的設想及可能。

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經過幾年的論證與實驗,同質結GaAs半導體激光器于1962問世。但由于同質結半導體激光器的臨界電流密度很高,不能在室溫下實現連續受激激發,導致其幾乎沒有任何實用性。因此半導體激光器的研究方向指向了“實現室溫情況下連續受激激發”。

為解決臨界電流密度高的問題,科學家們提出了異質結構半導體激光器的概念,通過用不同帶隙的半導體材料薄層組成“結”,有效地降低了臨界電流密度。1967年,單異質結半導體激光器問世。與同質結半導體激光器相比,單異質結半導體激光器臨界電流密度有了大幅度的下降,但仍處在一個較高的位置,未能實現室溫條件下的連續受激激發的研究目標。盡管如此,單異質結半導體激光器的歷史地位也不容輕視,它所使用的異質結結構與液相外延技術,為接下來的研究提供了重要的理論基礎和技術支持。

穩定激發、提高壽命,半導體激光器走向實際應用

異質結構的成功運用為科學家指明了方向。既然單異質結半導體激光器的臨界電流密度仍然偏高,那么雙異質結構效果怎么樣呢?

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1969年9月,LeNIngrad Ioffe研究所發布了雙異質半導體激光器(AlxGa1-xAs--GaAs)初步的研究成果。1970年初,貝爾實驗室成功降低了雙異質半導體激光器的臨界電流密度, 實現了室溫條件下的連續受激激發,宣告雙異質半導體激光器面世。同年5月,Leningrad Ioffe研究所也成功實現雙異質半導體激光器在室溫下的連續受激發射。

室溫下連續受激發射是激光器走向實用性的第一步。解決了室溫下可用,就該考慮室溫下耐用的問題了,半導體激光器的研究方向也隨之轉向“實現器件的長壽命與穩定性”。

國際科研人員通過不斷改進器件結構,逐步提高了半導體激光器的工作壽命,在1977年實現了雙異質短波長半導體激光器連續工作1×106個小時。此后,美、日等國就改進器件結構、提高器件穩定性、降低損耗等方面展開研究,研制出CDH、BH、TJS、CDH等結構的AlGaAs—GaAs激光器,均實現了溫室下連續受激激發及單模化工作。

長壽命光源的出現,為半導體激光器走向實際應用鋪平了道路。研究人員發現,半導體激光器的波長與光纖十分相配,非常適宜用于光纖通信,因此半導體激光器搭上了光纖通信的發展列車,在不斷進步的同時也推動著光通信行業的發展。

光纖通信時代的半導體激光器

1977年,雙異質短波長半導體激光器的連續工作壽命達到了1×106個小時,同年5月,以此為光源的第一代光纖通信系統在美國正式投入使用。隨著光通信對信息傳輸大容量、長中繼的發展需求,長波長、長壽命半導體激光器的研制工作也隨之展開。

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1979年,第二代光纖通信系統時代的來臨,更寬的波長范圍對半導體激光器提出了更高的要求。早在1976年,林肯實驗室成功就研制出了能在室溫下連續工作的InGaAsP 激光器(波長為1.1μm)。1977和1979年,美籍華裔科學家謝肇鑫采用液相外延的方法,在室溫條件下分別實現1.3μm和1.55μm的InGaAsP激光器的連續受激激發。InGaAsP激光器很好地契合了第二代光纖通信系統損耗窗口的波長范圍,長波長、長壽命的半導體激光器也由此成為國際上著重關注的研制對象。到1988年,InGaAsP激光器的連續工作壽命達到了1×105小時,輸出功率大為提升,同時臨界電流密度也再次降低。

隨著行業的發展,第二代光纖通信系統已經無法滿足高速發展的通訊需求,長距離、大容量成為光纖通信行業新的方向。此前光纖通信的容量主要受限于激光器多縱模發射的模式,因此單模模式的長波長半導體激光器成了第三代光纖通信系統的研究重點。

為了縮窄半導體激光器的線寬,科學家將光柵技術引入到半導體激光器的制造中,制造出DFB(無腔面分布反饋)半導體激光器。這類激光器線寬非常窄,接近于單色波激光,此外還可以實現較寬的波長調諧范圍。這使得 DFB半導體激光器能夠實現單縱模發射,大大提升了光纖通信的傳輸容量。80年代末期,DFB半導體激光器取得一定的成果,大大推動了第三代光纖通信系統的發展。

高功率半導體激光器蓬勃發展

隨著量子理論的發展和科學家們對半導體激光器研究的不斷深入,1970年便有人提出了超晶格量子阱的概念,并在GaAs半導體上實現了超晶體結構。1975年,科學家利用分子束外延技術成功研制出第一臺GaAlAs-GaAs類材料的量子阱激光器。但由于技術不夠完善,首臺量子阱激光器未能在室溫條件下實現連續穩定振蕩。隨著分子束外延技術不斷完善改進,1982年美國貝爾實驗室成功研制出臨界電流密度為160A/cm2的半導體量子阱激光器,開啟了量子阱激光器研究的帷幕。

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此后,量子阱激光器的研究方向主要集中于InGaAlP—GaAs、GaAlAs—GaAs和InGaAsP—InP這三類材料上。1986年,應變量子阱的概念被提出,優化了材料內部的價帶特性,改良了半導體發光器件的性能。1997年,高功率、長波長單量子阱激光器成功研制,大功率半導體激光器的實用性得以加強,應用領域大為拓展,半導體激光器迎來蓬勃發展。

我國半導體激光器研究歷程

我國激光技術的起步稍晚于國外。在霍爾實驗室研制出半導體激光器一年后,中科院半導體所的王守武小組和長春光機所的王乃弘小組先后觀察到砷化鎵二極管的受激成功現象,開啟了中國研究半導體激光器的時代。在特殊時期,我國的科研進展受到一定的阻礙,半導體激光器的研究也一度停滯不前。但在這樣的情況下,上光所和半導體所依然克服重重困難,于1970研制出單異質結構半導體激光器

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困難時期結束后,我國半導體激光器的研發駛入快車道,連續實現較多突破,到1999年已實現120mW大功率半導體激光器壽命超越10萬小時。千禧年之后,我國半導體激光器的研究工作連續取得突破,相關企業也逐漸增多,半導體激光器產業化之路愈發通暢。

半導體激光器的工作原理

半導體激光器是一種相干輻射光源,要使它能產生激光,必須具備三個基本條件 :

1、增益條件:建立起激射媒質(有源區)內載流子的反轉分布,在半導體中代表電子能量的是由一系列接近于連續的能級所組成的能帶 ,因此在半導體中要實現粒子數反轉,必須在兩個能帶區域之間 ,處在高能態導帶底的電子數比處在低能態價帶頂的空穴數大很多,這靠給同質結或異質結加正向偏壓,向有源層內注入必要的載流子來實現,將電子從能量較低的價帶激發到能量較高的導帶中去。當處于粒子數反轉狀態的大量電子與空穴復合時,便產生受激發射作用。

2、要實際獲得相干受激輻射,必須使受激輻射在光學諧振腔內得到多次反饋而形成激光振蕩,激光器的諧振腔是由半導體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的,通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質膜,而出光面鍍上減反膜。對F—p 腔(法布里—珀羅腔)半導體激光器可以很方便地利用晶體的與 p-n結平面相垂直的自然解理面構成F-p腔。

3、為了形成穩定振蕩,激光媒質必須能提供足夠大的增益,以彌補諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗,不斷增加腔內的光場。這就必須要有足夠強的電流注入,即有足夠的粒子數反轉,粒子數反轉程度越高,得到的增益就越大,即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當激光器達到閥值時,具有特定波長的光就能在腔內諧振并被放大,最后形成激光而連續地輸出。

可見在半導體激光器中,電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發射和光放大過程。對于新型半導體激光器而言,人們目前公認量子阱是半導體激光器發展的根本動力。

量子線和量子點能否充分利用量子效應的課題已延至本世紀,科學家們已嘗試用自組織結構在各種材料中制作量子點,而GaInN 量子點已用于半導體激光器

半導體激光器的應用

半導體激光器是成熟較早、進展較快的一類激光器 ,由于它的波長范圍寬, 制作簡單、成本低、易于大量生產,并且由于體積小、重量輕、壽命長,因此,品種發展快,應用范圍廣,目前已超過300種。

1、在產業和技術方面的應用

1) 光纖通信。

半導體激光器是光纖通信系統的唯一實用化光源,光纖通信已成為當代通信技術的主流。

2) 光盤存取。

半導體激光已經用于光盤存儲器,其最大優點是存儲的聲音、文字和圖象信息量很大。采用藍、綠激光能夠大大提高光盤的存儲密。

3) 光譜分析。

遠紅外可調諧半導體激光器已經用于環境氣體分析,監測大氣污染、汽車尾氣等。在工業上可用來監測氣相淀積的工藝過程。

4) 光信息處理。

半導體激光器已經用于光信息理系統。表面發射半導體激光器二維陣列是光并行處理系統的理想光源,將用于計算機和光神經網絡。

5) 激光微細工。

借助于Q開關半導體激光器產生的高能量超短光沖,可對集成電路進行切割、打孔等。

6) 激光報警器。

半導體激光報警器用途甚廣,包括防盜報警、水位報警、車距報警等。

7) 激光打印機。高功率半導體激光器已經用于激光打印機。采用藍、綠激光能夠大大提高打印速度和分辨率。

8) 激光條碼掃描器。

半導體激光條碼掃描器已經廣泛用于商品的銷售,以及圖書和檔案的管理。

9) 泵浦固體激光器。

這是高功率半導體激光器的一個重要應用,采用它來取代原來的氛燈,可以構成全固態激光系統。

10) 高清晰度激光電視。

不久的將來,沒有陰極射線管的半導體激光電視機可以投放市場,它利用紅、藍、綠三色激光,估計其耗電量比現有的電視機低20%。

2、在醫療和生命科學研究方面的應用

1)激光手術治療。

半導體激光已經用于軟組織切除,組織接合、凝固和汽化。普通外科、整形外科、皮膚科、泌尿科、婦產科等,均廣泛地采用了這項技術。

2)激光動力學治療。

將對腫瘤有親合性的光敏物質有選擇地聚集于癌組織內,通過半導體激光照射,使癌組織產生活性氧,旨在使其壞死而對健康組織毫無損害。

3)生命科學研究。

使用半導體激光的“光鑷”,可以撲捉活細胞或染色體并移至任意位置,已經用于促進細胞合成,細胞相互作用等研究,還可以作為法醫取證的診斷技術。

[整理編輯:CK365測控網]
標簽:  半導體激光器[62]
 
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