一文看懂半导体激光器发展历程及应用现状

激光技术已成为现代生活中不可替代的技术之一，不论是工业加工、医疗美容、光纤通信，还是近年来火热的无人驾驶、智能机器人等，都与激光技术息息相关。今天我们主角是半导体激光器，小编将带大家一起回顾它的发展历程及应用现状。

从理论发展到实验室研制

激光的起源可以追溯到1916年爱因斯坦发布的《关于辐射的量子理论》 一文。爱因斯坦首次提出受激辐射理论，为日后激光的发展提供了理论基础。40年后，关于能否用半导体材料形成激光的话题开始被物理学家注意，艾格瀚等科学家提出了许多半导体激光器的设想及可能。

经过几年的论证与实验，同质结GaAs半导体激光器于1962问世。但由于同质结半导体激光器的临界电流密度很高，不能在室温下实现连续受激激发，导致其几乎没有任何实用性。因此半导体激光器的研究方向指向了“实现室温情况下连续受激激发”。

为解决临界电流密度高的问题，科学家们提出了异质结构半导体激光器的概念，通过用不同带隙的半导体材料薄层组成“结”，有效地降低了临界电流密度。1967年，单异质结半导体激光器问世。与同质结半导体激光器相比，单异质结半导体激光器临界电流密度有了大幅度的下降，但仍处在一个较高的位置，未能实现室温条件下的连续受激激发的研究目标。尽管如此，单异质结半导体激光器的历史地位也不容轻视，它所使用的异质结结构与液相外延技术，为接下来的研究提供了重要的理论基础和技术支持。

稳定激发、提高寿命，半导体激光器走向实际应用

异质结构的成功运用为科学家指明了方向。既然单异质结半导体激光器的临界电流密度仍然偏高，那么双异质结构效果怎么样呢？

1969年9月，Leningrad Ioffe研究所发布了双异质半导体激光器（AlxGa1-xAs－－GaAs）初步的研究成果。1970年初，贝尔实验室成功降低了双异质半导体激光器的临界电流密度， 实现了室温条件下的连续受激激发，宣告双异质半导体激光器面世。同年5月，Leningrad Ioffe研究所也成功实现双异质半导体激光器在室温下的连续受激发射。

室温下连续受激发射是激光器走向实用性的第一步。解决了室温下可用，就该考虑室温下耐用的问题了，半导体激光器的研究方向也随之转向“实现器件的长寿命与稳定性”。

国际科研人员通过不断改进器件结构，逐步提高了半导体激光器的工作寿命，在1977年实现了双异质短波长半导体激光器连续工作1×106个小时。此后，美、日等国就改进器件结构、提高器件稳定性、降低损耗等方面展开研究，研制出CDH、BH、TJS、CDH等结构的AlGaAs—GaAs激光器，均实现了温室下连续受激激发及单模化工作。

长寿命光源的出现，为半导体激光器走向实际应用铺平了道路。研究人员发现，半导体激光器的波长与光纤十分相配，非常适宜用于光纤通信，因此半导体激光器搭上了光纤通信的发展列车，在不断进步的同时也推动着光通信行业的发展。

光纤通信时代的半导体激光器

1977年，双异质短波长半导体激光器的连续工作寿命达到了1×106个小时，同年5月，以此为光源的第一代光纤通信系统在美国正式投入使用。随着光通信对信息传输大容量、长中继的发展需求，长波长、长寿命半导体激光器的研制工作也随之展开。

1979年，第二代光纤通信系统时代的来临，更宽的波长范围对半导体激光器提出了更高的要求。早在1976年，林肯实验室成功就研制出了能在室温下连续工作的InGaAsP 激光器（波长为1.1μm）。1977和1979年，美籍华裔科学家谢肇鑫采用液相外延的方法，在室温条件下分别实现1.3μm和1.55μm的InGaAsP激光器的连续受激激发。InGaAsP激光器很好地契合了第二代光纤通信系统损耗窗口的波长范围，长波长、长寿命的半导体激光器也由此成为国际上着重关注的研制对象。到1988年，InGaAsP激光器的连续工作寿命达到了1×105小时，输出功率大为提升，同时临界电流密度也再次降低。

随着行业的发展，第二代光纤通信系统已经无法满足高速发展的通讯需求，长距离、大容量成为光纤通信行业新的方向。此前光纤通信的容量主要受限于激光器多纵模发射的模式，因此单模模式的长波长半导体激光器成了第三代光纤通信系统的研究重点。

为了缩窄半导体激光器的线宽，科学家将光栅技术引入到半导体激光器的制造中，制造出DFB（无腔面分布反馈）半导体激光器。这类激光器线宽非常窄，接近于单色波激光，此外还可以实现较宽的波长调谐范围。这使得 DFB半导体激光器能够实现单纵模发射，大大提升了光纤通信的传输容量。80年代末期，DFB半导体激光器取得一定的成果，大大推动了第三代光纤通信系统的发展。

高功率半导体激光器蓬勃发展

随着量子理论的发展和科学家们对半导体激光器研究的不断深入，1970年便有人提出了超晶格量子阱的概念，并在GaAs半导体上实现了超晶体结构。1975年，科学家利用分子束外延技术成功研制出第一台GaAlAs－GaAs类材料的量子阱激光器。但由于技术不够完善，首台量子阱激光器未能在室温条件下实现连续稳定振荡。随着分子束外延技术不断完善改进，1982年美国贝尔实验室成功研制出临界电流密度为160A/cm2的半导体量子阱激光器，开启了量子阱激光器研究的帷幕。

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这三类材料上。1986年，应变量子阱的概念被提出，优化了材料内部的价带特性，改良了半导体发光器件的性能。1997年，高功率、长波长单量子阱激光器成功研制，大功率半导体激光器的实用性得以加强，应用领域大为拓展，半导体激光器迎来蓬勃发展。

我国半导体激光器研究历程

我国激光技术的起步稍晚于国外。在霍尔实验室研制出半导体激光器一年后，中科院半导体所的王守武小组和长春光机所的王乃弘小组先后观察到砷化镓二极管的受激成功现象，开启了中国研究半导体激光器的时代。在特殊时期，我国的科研进展受到一定的阻碍，半导体激光器的研究也一度停滞不前。但在这样的情况下，上光所和半导体所依然克服重重困难，于1970研制出单异质结构半导体激光器。

困难时期结束后，我国半导体激光器的研发驶入快车道，连续实现较多突破，到1999年已实现120mW大功率半导体激光器寿命超越10万小时。千禧年之后，我国半导体激光器的研究工作连续取得突破，相关企业也逐渐增多，半导体激光器产业化之路愈发通畅。

半导体激光器的工作原理

半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件 ：

1、增益条件：建立起激射媒质（有源区）内载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带 ，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间 ，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注入必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

2、要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对F—p 腔（法布里—珀罗腔）半导体激光器可以很方便地利用晶体的与 p－n结平面相垂直的自然解理面构成F－p腔。

3、为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。

可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。

量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点，而GaInN 量子点已用于半导体激光器。

半导体激光器的应用

半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器 ，由于它的波长范围宽， 制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种。

1、在产业和技术方面的应用

1） 光纤通信。

半导体激光器是光纤通信系统的唯一实用化光源，光纤通信已成为当代通信技术的主流。

2） 光盘存取。

半导体激光已经用于光盘存储器，其最大优点是存储的声音、文字和图象信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘的存储密。

3） 光谱分析。

远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析，监测大气污染、汽车尾气等。在工业上可用来监测气相淀积的工艺过程。

4） 光信息处理。

半导体激光器已经用于光信息理系统。表面发射半导体激光器二维阵列是光并行处理系统的理想光源，将用于计算机和光神经网络。

5） 激光微细工。

借助于Q开关半导体激光器产生的高能量超短光冲，可对集成电路进行切割、打孔等。

6） 激光报警器。

半导体激光报警器用途甚广，包括防盗报警、水位报警、车距报警等。

7） 激光打印机。高功率半导体激光器已经用于激光打印机。采用蓝、绿激光能够大大提高打印速度和分辨率。

8） 激光条码扫描器。

半导体激光条码扫描器已经广泛用于商品的销售，以及图书和档案的管理。

9） 泵浦固体激光器。

这是高功率半导体激光器的一个重要应用，采用它来取代原来的氛灯，可以构成全固态激光系统。

10） 高清晰度激光电视。

不久的将来，没有阴极射线管的半导体激光电视机可以投放市场，它利用红、蓝、绿三色激光，估计其耗电量比现有的电视机低20％。

2、在医疗和生命科学研究方面的应用

1）激光手术治疗。

半导体激光已经用于软组织切除，组织接合、凝固和汽化。普通外科、整形外科、皮肤科、泌尿科、妇产科等，均广泛地采用了这项技术。

2）激光动力学治疗。

将对肿瘤有亲合性的光敏物质有选择地聚集于癌组织内，通过半导体激光照射，使癌组织产生活性氧，旨在使其坏死而对健康组织毫无损害。

3）生命科学研究。

使用半导体激光的“光镊”，可以扑捉活细胞或染色体并移至任意位置，已经用于促进细胞合成，细胞相互作用等研究，还可以作为法医取证的诊断技术。