自從1962年發(fā)現(xiàn)半導體激光器以來，這項技術已經成為各個領域進步的組成部分半導體激光器廣泛應用于光通信、生物醫(yī)學、集成光學和材料科學等領域但它們是如何工作的呢?了解它們的結構、關鍵屬性和工作原理對于探索它們的應用和性能至關重

　　半導體材料的電特性

　　半導體具有壽命長、體積小、功耗低以及與現(xiàn)代技術兼容等優(yōu)點，因此被廣泛應用。3 它們的電特性可以調整，以增強或限制電子流，因此在電子和激光應用中至關重要。它們的導電性介于金屬和絕緣體之間，可以控制電氣行為。

　　導電性由自由電子的運動決定。電子占據(jù)不同的能級，結合最不緊密的電子位于價帶。在價帶之上是導帶，電子必須在此過渡才能導電。這些能帶之間的能差(稱為帶隙)決定了材料的導電性。

　　與絕緣體相比，半導體的帶隙更窄，因此可以控制電子的移動。這一特性是半導體在現(xiàn)代電子和光電設備(包括半導體激光器)中應用的關鍵。

　　藍光半導體激光器的結構特點在于其有源區(qū)材料，通常為GaN或InGaN，這些材料的帶隙寬度有所不同，從而使得激光器能夠發(fā)出不同顏色的光。以典型的GaN基激光器為例，其結構在z方向上從下到上依次為n電極、GaN襯底、n型A1GaN下限制層、n型hGaN下波導層、多量子阱(MQW)有源區(qū)、非故意摻雜hGaN上波導層、p型電子阻擋層(EBL)、p型A1GaN上限制層、p型GaN層以及p電極。這種精細的結構設計，使得藍光半導體激光器在發(fā)光效率和穩(wěn)定性方面都表現(xiàn)出色。

　　半導體激光器，又稱為激光二極管，是一種利用半導體材料作為工作物質產生激光的器件。它基于半導體材料的特殊電子能帶結構，通過注入電流實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，從而產生受激輻射，發(fā)出具有高度相干性、方向性和單色性的激光束。常見的激光半導體材料有砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等，這些材料通過不同的摻雜和制造工藝，可以實現(xiàn)不同波長的激光輸出，覆蓋從可見光到紅外光的較寬光譜范圍。

　　普通 LED 是基于自發(fā)輻射發(fā)光。當在 LED 的 PN 結兩端施加正向電壓時，電子與空穴復合，釋放出能量以光子的形式發(fā)出光，其發(fā)光過程是隨機的，發(fā)出的光在方向、相位和光譜上相對較為分散。

　　半導體激光器則是基于受激輻射發(fā)光。在特定的條件下，通過外部能量的激發(fā)使處于高能級的電子數(shù)多于低能級的電子數(shù)，形成粒子數(shù)反轉，當一個光子引發(fā)高能級電子躍遷到低能級時，會產生與入射光子具有相同頻率、相位、方向和偏振態(tài)的光子，從而形成高強度、高相干性的激光束。

　　展示了典型的GaN激光器芯片結構。多量子阱有源區(qū)(MQWs)的材料折射率最高，且其兩側材料的折射率逐漸遞減。這種z方向上材料折射率中間高、上下低的分布特點，使得光場主要被限制在上、下波導層之間。在y方向，激光器兩側的p型層經過刻蝕并沉積了二氧化硅(SiO2)薄層，形成了脊型結構。由于二氧化硅和空氣的折射率低于p型層的折射率，光場在y方向上被進一步限制在脊型中間。最終，在x方向通過機械解理或刻蝕方法形成前、后腔面，并通過蒸鍍介質膜來調控其反射率，通常前腔面的反射率設計得低于后腔面，以確保激光能夠從前腔面有效出射。

　　接下來，我們探討藍光半導體激光器的工作原理。

　　其核心與其他類型的半導體激光器相同，都是基于半導體材料的光電效應。要使半導體激光器正常工作并實現(xiàn)光子的受激輻射，必須滿足幾個關鍵條件：粒子數(shù)反轉、諧振腔、光增益以及閾值條件等。其中，粒子數(shù)反轉是指在特定條件下，導帶中的電子數(shù)多于價帶中的空穴數(shù)，或反之。在GaN激光器中，我們主要關注的是n>p的情況。當外部電場作用于激光器時，電子從導帶底部被推向高能態(tài)，而空穴則從價帶頂部被推向低能態(tài)，這個過程稱為電注入。在無外部注入的情況下，半導體中的電子和空穴數(shù)量相等，系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)。然而，一旦滿足粒子數(shù)反轉的條件，激光器便具備了產生激光的基礎。

　　其中，0和0分別代表導帶和價帶中的平衡載流子濃度，而和則分別對應導帶底和價帶頂?shù)哪芰?。此外，表示費米能級，為玻爾茲曼常數(shù)，而則代表溫度。在外部電場的作用下，電子和空穴會被注入到有源層中，其濃度分別變?yōu)閚和p。當注入的電流達到一定強度時，將滿足以下條件：

　　其中，和分別代表導帶和價帶的有效態(tài)密度。為了達成粒子數(shù)反轉，所需注入的電流必須達到一定強度，使得費米能級向導帶方向移動，進而使得(導帶中的電子濃度)大于(價帶中的空穴濃度)。這一過程可以通過以下條件來具體描述：

　　激光器的閾值電流?可以通過以下公式進行計算：

　　其中，代表電子電荷，而則表示有源區(qū)的橫截面積。在實際應用中，閾值電流通常以電流密度?的形式來表示。

　　綜合上述因素，我們可以進一步推導出閾值電流密度的表達式。

　　由此，我們可以推導出閾值電流密度?的具體表達式。為了確保激光器的增益超過損耗，我們必須滿足以下條件：

　　其中，代表腔內損耗，而則表示輸出耦合損耗。

　　接下來，我們將探討GaN激光器的諧振腔理論。

　　這一理論基于光學諧振腔的原理，核心在于如何在激光器中構建并維持光振蕩。激光器的諧振腔作為一種光學結構，通過兩個或多個反射面之間的多次往返，實現(xiàn)對光信號的放大。這種結構通常由部分透射的鏡子組成，為光波的穩(wěn)定振蕩提供了必要條件。要滿足這一條件，光波的波矢必須符合特定的關系。

　　其中，代表光波的波長，是諧振腔的光學長度，而作為整數(shù)，象征著模式的階數(shù)。在諧振腔內，光波的振蕩模式可以是橫向模式(如TEM模式)，也可以是縱向模式(例如TE或TM模式)，或是它們的結合。特別是在半導體激光器中，橫向模式備受關注，因為它們在激光器波導的垂直方向上展現(xiàn)了穩(wěn)定的電場和磁場分布。

　　半導體激光器工作原理是激勵方式，利用半導體物質(即利用電子)在能帶間躍遷發(fā)光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產生光的輻射放大，輸出激光。

　　半導體激光器是依靠注入載流子工作的，發(fā)射激光必須具備三個基本條件:

　　1、要產生足夠的粒子數(shù)反轉分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)。

　　2、有一個合適的諧振腔能夠起到反饋作用，使受激輻射光子增生，從而產生激光震蕩。

　　3、要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。

　　二、半導體激光器和光纖激光器一樣嗎?

　　半導體激光器和光纖激光是不一樣的。

　　1、介質材料不同

　　光纖激光器和半導體激光器的區(qū)別就是他們發(fā)射激光的介質材料不同。光纖激光器使用的增益介質是光纖，半導體激光器使用的增益介質是半導體材料，一般是砷化家，鋼家申等。

　　2、發(fā)光機理不同

　　半導體激光器的發(fā)光機理是粒子在導帶和價帶之間躍遷產生光子，因為是半導體，所以使用電激勵即可，是直接的電光轉而光纖不能夠直接實現(xiàn)電光轉換，需要用光來泵浦增益介質(一般用激光二極管泵浦)，它實現(xiàn)的是光光轉換換。

　　3、散熱性能不同

　　光纖激光器散熱好，一般風冷即可。半導體激光器受溫度影響非常大，當功率較大時，需要水冷。

　　4、主要特性不同

　　光纖激光器的主要特性是器件體積小，靈活。激光輸出譜線多，單色性好，調諧范圍寬。并且其性能與光偏振方向無關器件與光纖的耦合損耗小。轉換效率高，激光聞值低。光纖的幾何形狀具有很低的體積和表面積，再加上在單模狀態(tài)下激光與泵浦可充分耦合。

　　半導體激光器易與其他半導體器件集成。具有的特性是可直接電調制，易于與各種光電子器件實現(xiàn)光電子集成，體積小重量輕，驅動功率和電流較低，效率高、工作壽命長，與半導體制造技術兼容，可大批量生產

　　高亮度與高能量密度：由于其高度的方向性和相干性，半導體激光器能夠在較小的光斑面積上集中極高的能量，其亮度可比普通 LED 高出幾個數(shù)量級。這使得它在需要高能量密度照射的應用場景中具有無可替代的優(yōu)勢，如激光切割、激光焊接等工業(yè)加工領域。

　　遠距離傳輸特性：極小的發(fā)散角使得半導體激光器發(fā)射的激光在遠距離傳輸過程中能量損失小，能夠實現(xiàn)長距離的光通信、激光測距等應用。例如在光通信中，半導體激光器作為光源可以在光纖中實現(xiàn)高速、長距離的數(shù)據(jù)傳輸，而普通 LED 由于光發(fā)散嚴重難以滿足此類需求。

　　高相干性：半導體激光器的高相干性使其在干涉測量、全息成像等光學精密測量和成像領域發(fā)揮著重要作用。相干性好的激光可以產生清晰穩(wěn)定的干涉條紋，用于高精度的長度測量、表面形貌檢測等。