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半導體激光器制作技術、工作原理及應用全面梳理!

閱讀:651          發布時間:2022-12-15

自1962年一臺半導體激光器發明問世以來,半導體激光器發生了巨大的變化,極大地推動了其他科學技術的發展,被認為是二十世紀人類最偉大的發明之一。近十幾年來,半導體激光器的發展更為迅速,已成為世界上發展的一門激光技術。半導體激光器的應用范圍覆蓋了整個光電子學領域,已成為當今光電子科學的核心技術。由于半導體激光器的體積小、結構簡單、輸入能量低、壽命較長、易于調制以及價格較低廉等優點,使得它目前在光電子領域中應用非常廣泛,已受到世界各國的高度重視。

半導體激光器是以直接帶隙半導體材料構成的 Pn 結或 Pin 結為工作物質的一種小型化激光器。半導體激光工作物質有幾十種,目前已制成激光器的半導體材料有砷化鎵、砷化銦、銻化銦、硫化鎘、碲化鎘、硒化鉛、碲化鉛、鋁鎵砷、銦磷砷等。

半導體激光器的激勵方式主要有三種:即電注入式 、光泵式和高能電子束激勵式。絕大多數半導體激光器的激勵方式是電注入,即給 Pn 結加正向電壓,以使在結平面區域產生受激發射 ,也就是說是個正向偏置的二極管 。因此半導體激光器又稱為半導體激光二極管。對半導體來說,由于電子是在各能帶之間進行躍遷 ,而不是在分立的能級之間躍遷,所以躍遷能量不是個確定值, 這使得半導體激光器的輸出波長展布在一個很寬的范圍上。它們所發出的波長在0.3~34μm之間。其波長范圍決定于所用材料的能帶間隙 ,見的是AlGaAs雙異質結激光器,其輸出波長為750~890nm。


半導體激光器制作技術經歷了由擴散法到液相外延法(LPE), 氣相外延法(VPE),分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金屬有機化合物汽相淀積),化學束外延(CBE)以及它們的各種結合型等多種工藝。
半導體激光器的缺點是:激光性能受溫度影響大,光束的發散角較大(一般在幾度到20度之間),所以在方向性、單色性和相干性等方面較差。但隨著科學技術的迅速發展, 半導體激光器的研究正向縱深方向推進 ,半導體激光器的性能在不斷地提高。以半導體激光器為核心的半導體光電子技術在 21 世紀的信息社會中將取得更大的進展,發揮更大的作用。
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。


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