半导体激光器的设计研究进展.doc

WORD格式整理 专业知识分享 半导体激光器的研究进展 摘要：本文主要述写了半导体激光器的发展历史和发展现状。以及对单晶光纤激光器进行了重点描述，因其在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，近年来成为新型固体激光源研究的热点。 引言。 激光是 20 世纪以来继原子能、电子计算机、半导体之后人类的又一重大发明。半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心， 涵盖研究光的受激辐射放大的规律、 产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。 半导体激光历经五十余年发展， 作为一个世界前沿的研究方向， 伴随着国际科技进步突飞猛进的发展，也受益于各类关联技术、 材料与工艺等的突破性进步。半导体激光的进步在国际范围内受到了高度的关注和重视，不仅在基础科学领域不断研究深化，科学技术水平不断提升，而且在应用领域上不断拓展和创新，应用技术和装备层出不穷，应用水平同样取得较大幅度的提升，在世界各国的国民经济发展中，特别是信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用。 本文对半导体激光器的发展历史和现状进行了综述，同时因单晶光纤激光器在激光医疗、 激光成像、 光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值， 本文也将对其做重点描述。 大功率半导体激光器的发展历程。 1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs 同质结构注入型半导体激光器。由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要5 × 104～1 × 105 A /cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。从此开始， 半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。1963 年，美国的 Kroemer 和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。随着异质结材料的生长工艺， 如气相外延( VPE) 、 液相外延( LPE) 等的发展，1967年，IMB 公司的 Woodall 成功地 利 用 LPE 在 GaAs 上 生 长 了 AlGaAs。在1968—1970 年期间， 美国贝尔实验室的 Panish，Hayashi 和 Sμmski 成功研究了 AlGaAs /GaAs 单异质结激光器， 室温阈值电流密度为 8.6 × 103 A /cm2，比同质结激光器降低了一个数量级。 正当美国学者们致力于单异质结激光器的研究时，前苏联科学院约飞物理研究所的 Alferov 等宣布研制成功双异质结半导体激光器( HD-LD) 。该结构是将 p-GaAs 半导体有源区夹在宽禁带的n-AlGaAs 层和 p-AlGaAs 层之间，使得室温下的阈值电流降低到 4 × 103 A /cm2。双异质结构半导体激光器阈值电流密度之所以能够明显降低，主要是依靠双异质结的两个作用: ( 1) 有源区两边包层材料的带隙宽于有源区材料的带隙，这使得注入双异质结半导体激光器的载流子被有效地限制在有源区内，以利于产生高的增益; ( 2) 有源区材料的折射率大于两边包层材料的折射率，形成的光波导结构能将大部分光限制在有源区内。［ 1- 2］ 双异质结构激光器［ 3- 4］ 的问世标志着半导体激光器的发展进入了新时期。1978 年， 半导体激光器成功地应用于光纤通讯系统中。随着新材料、新结构的不断涌现，半导体激光器的电学和光学性能有了很大的提高。进入 20 世纪 80 年代以后，由于引入了半导体物理研究的新成果———能带工程理论，同时晶体外延材料生长新工艺如分子束 外 延 ( MBE ) 、金 属 有 机 化 学 气 相 沉 积( MOCVD) 和化学束外延 ( CBE) 等取得重大成就，使得半导体激光器成功地采用了量子阱和应变量子阱结构，制备出了许多性能优良的激光器件，如各类量子阱激光器、应变量子阱激光器、垂直腔面发射激光器和高功率半导体激光器阵列等，实现了高功率输出。量子阱激光器窄带隙有源区材料的厚度通常小于电子在该材料的德布罗意波长( 一般小于10～ 20nm)，这样能使注入的电子被势阱有效地吸收。在量子阱中电子和空穴沿着垂直阱壁方向的运动呈现量子化的特点，电子的态密度也变为阶梯状，这时只需要很小的注入电流就可以实现粒子数反转，因此量子阱激光器具有很小的阈值电流、很高的微分量子效率和高输出功率。 半导体激光器以其转换效率高、寿命长、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制及易与其他半导体器件集成等特点，在军事、工业加工、激光