詳析半導體雷射器種類與工作原理

 半導體雷射器又稱為雷射二極體(LD,Laser Diode),是採用半導體材料作為工作物質而產生受激發射的一類雷射器。常用材料有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦激勵三種形式。半導體雷射器件,一般可分為同質結、單異質結、雙異質結。同質結雷射器和單異質結雷射器室溫時多為脈衝器件,而雙異質結雷射器室溫時可實現連續工作。半導體雷射器的優點在於體積小、重量輕、運轉可靠、能耗低、效率高、壽命長、高速調製,因此半導體雷射器在雷射通信、光存儲、光陀螺、雷射列印、雷射醫療、雷射測距、雷射雷達、自動控制、檢測儀器等領域得到了廣泛的應用。  

 半導體雷射器工作原理是:通過一定的激勵方式,在半導體物質的能帶(導帶與價帶)之間,或者半導體物質的能帶與雜質(受主或施主)能級之間,實現非平衡載流子的粒子數反轉,當處於粒子數反轉狀態的大量電子與空穴複合時便產生受激發射作用。半導體雷射器的激勵方式主要有三種:電注入式、電子束激勵式和光泵浦激勵式。電注入式半導體雷射器一般是由GaAS(砷化鎵)、InAS(砷化銦)、Insb(銻化銦)等材料製成的半導體面結型二極體,沿正向偏壓注入電流進行激勵,在結平面區域產生受激發射。電子束激勵式半導體雷射器一般用N型或者P型半導體單晶(PbS、CdS、ZhO等)作為工作物質,通過由外部注入高能電子束進行激勵。光泵浦激勵式半導體雷射器一般用N型或P型半導體單晶(GaAS、InAs、InSb等)作為工作物質,以其它雷射器發出的雷射作光泵激勵。  

 目前在半導體雷射器件中,性能較好、應用較廣的是:具有雙異質結構的電注入式GaAs二極體半導體雷射器。  

 半導體光電器件的工作波長與半導體材料的種類有關。半導體材料中存在著導帶和價帶,導帶上面可以讓電子自由運動,而價帶下面可以讓空穴自由運動,導帶和價帶之間隔著一條禁帶,當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中去時就把光的能量變成了電,而帶有電能的電子從導帶跳回價帶,又可以把電的能量變成光,這時材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長。   

小功率半導體雷射器(信息型雷射器),主要用於信息技術領域,例如用於光纖通信及光交換系統的分布反饋和動態單模雷射器(DFB-LD)、窄線寬可調諧雷射器、用於光碟等信息處理領域的可見光波長雷射器(405nm、532nm、635nm、650nm、670nm)。這些器件的特徵是:單頻窄線寬、高速率、可調諧、短波長、光電單片集成化等。

大功率半導體雷射器(功率型雷射器),主要用於泵浦源、雷射加工系統、印刷行業、生物醫療等領域。   

半導體雷射器主要參數:  

 波長nm:雷射器工作波長,例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。  

 閾值電流Ith:雷射二極體開始產生雷射振盪的電流,對小功率雷射器而言其值約在數十毫安。   工作電流Iop:雷射二極體達到額定輸出功率時的驅動電流,此值對於設計調試雷射驅動電路較重要。  

 垂直發散角θ⊥:雷射二極體的發光帶在與PN結垂直方向張開的角度,一般在15°~40°左右。   水平發散角θ∥:雷射二極體的發光帶在與PN結平行方向張開的角度,一般在6°~ 10°左右。   監控電流Im :雷射二極體在額定輸出功率時在PIN管上流過的電流。  

 半導體雷射器主要向兩個方向發展:一類是以傳遞信息為主的信息型雷射器;另一類是以提高光功率為主的功率型雷射器。  

 在泵浦固體雷射器等應用的推動下,高功率半導體雷射器取得了突破性進展,其標誌是半導體雷射器的輸出功率顯著增加,國外千瓦級的高功率半導體雷射器已經商品化,國內樣品器件輸出已達到600W。未來,半導體雷射器的發展趨勢主要在高速寬雷射器、大功率雷射器、短波長雷射器、中紅外雷射器等方面。

本文內容整理自網絡, 文中所有觀點看法不代表淘大白的立場