什么是半导体激光器

[导读]半导体激光器，是一种将电能直接转换为一束聚焦光的半导体设备。它利用半导体pn结将电流转换成光能，并通过电子和空穴的复合产生激光。

‌激光二极管(Laser Diode)‌，也被称为半导体激光器，是一种将电能直接转换为一束聚焦光的半导体设备。它利用半导体pn结将电流转换成光能，并通过电子和空穴的复合产生激光‌12。

基本原理

激光二极管的工作原理基于受激辐射光放大(LASER)现象。当激光二极管被正向偏压时，电子和空穴在pn结中发生重组，释放出光子。这些光子在反射面之间来回反射，撞击其他原子，导致更多的光子发射，最终形成一束强烈的激光从部分反射表面射出。这种激光具有相干性，即所有发射的光子具有相同的频率和相位‌12。

应用领域

激光二极管因其优异的指向性和直进性，被广泛应用于多个领域：

‌光通信‌：用于光纤通信，提供高速数据传输。

‌医疗‌：在手术、治疗和诊断中发挥作用。

‌感测‌：用于精密测量和传感器技术。

‌数据存储‌：如CD/DVD的读写。

‌休闲娱乐‌：如激光指示器和激光打印机‌12。

历史背景

激光二极管的历史可以追溯到1917年爱因斯坦提出的“受激辐射”理论。1953年，德国人约翰·冯·诺依曼首次描述了半导体激光器的概念。1962年，同质结结构的砷化镓(GaAs)半导体激光器问世，标志着相干光技术的实际应用。1970年代，随着双异质结构的发现，室温下连续振荡成为可能，半导体激光器技术迅速发展‌1。

激光二极管(半导体激光器)是一种利用半导体pn结将电流转换成光能并产生激光的电子器件。激光二极管具有优异的指向性和直进性，作为一种容易控制能量的光源，被广泛应用于光通信、医疗、感测、数据存储和休闲娱乐等领域。其基本原理是利用电子和空穴复合时产生的光。目前市场上已有不同波长和输出特性的众多产品。本文将详细介绍激光二极管的基本原理、结构、材料、种类和应用。激光二极管(Laser Diode)也被称为“半导体激光器”。“激光”是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写，意为“受激辐射光放大”。自然光和LED光即使波长恒定，其相位差不恒定，波形也不整齐。而激光是仅放大特定波长的“相干(coherent)”光。相干光源因其相位差恒定、波形一致，可利用干涉使焦点非常小(数um~)，从而可用于光开关和光调制等各种应用中。

激光二极管的历史始于1917年，当时阿尔伯特·爱因斯坦首次将“受激辐射”现象形成理论，奠定了所有激光技术的基础。后来，德国人约翰·冯·诺依曼于1953年在一份未发表的手稿中描述了半导体激光器的概念。1957年，美国人戈登·古尔德提出可以利用受激辐射现象来放大光，并将其命名为“LASER(受激辐射光放大)”。就这样，随着各国科学家对激光器的研究不断取得进展，1962年同质结结构的砷化镓(GaAs)半导体激光器问世，相干光技术得到实际验证，同年，可见光振荡也获得成功。然而，这个时代的半导体激光器存在室温下连续振荡方面的课题。1970年，双异质结构的发现使得室温下的连续振荡成为可能。1970年代之后，半导体激光器技术迅速发展，并被广泛应用于各个领域。

半导体是导电性能介于导电的“导体”和不易导电的“绝缘体(非导体)”之间的物质。导体包括铁、金等金属物质，绝缘体包括橡胶、玻璃等物质。半导体可以通过使其导电或不导电来控制电流。另外，在某些使用方式下，还可以在光能和电能之间进行能量转换。

通常，二极管的元件主要由硅(Si)制成。硅(Si)是最典型的半导体材料。硅以“硅石(SiO2：主要成分是二氧化硅的石头”的形式存在于自然界中，是一种资源丰富的材料。因其易于加工而被广泛应用于很多半导体产品中。

硅(Si)作为半导体材料，本来是绝缘体，几乎没有作为载流子的自由电子。因此，通过向硅(Si)中添加其他杂质来提高硅(Si)中的载流子浓度，从而提高其电导率。像这样通过添加杂质来增加载流子的半导体被称为“杂质半导体”。载流子包括自由电子和自由空穴，其中使自由电子载流子增加的半导体称为“n型半导体”，使自由空穴载流子增加的半导体称为“p型半导体”。

* p型半导体(+：positive，空穴多的半导体)、n型半导体(-：negative，电子多的半导体)

二极管的元件是p型半导体和n型半导体连接的结构，称为“pn结”。p型半导体的引脚称为“阳极”，n型半导体的引脚称为“阴极”，电流是从阳极流向阴极的。

优点和应用

优点

效率高：激光二极管具有较高的光电转换效率。

体积小：相对于其他激光器，激光二极管具有更小的体积。

响应速度快：能够快速调制和响应，适合高速通信。

成本低：生产成本相对较低，适合大规模生产。

应用

光纤通信：作为光源用于长距离和高速的数据传输。

光盘读取和刻录：用于CD、DVD、Blu-ray等光盘驱动器。

条码扫描：激光扫描仪用来读取条码。