摘要：由于三五族化合物工艺的发展与半导体激光器的多种优点，近几十年来，半导体激光器发展十分迅速，而且在各个领域发挥着越来越重要的作用。本文将介绍半导体激光器的基本理论原理、相关发展历程、研究现状以及其广泛的应用。 关键词：半导体激光器；研究现状；应用
1. 引言
自1962 年世界上第一台半导体激光器发明问世以来, 半导体激光器发生了巨大的变化, 极大地推动了其他科学技术的发展, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一[1], 近十几年来, 半导体激光器的发展更为迅速, 已成为世界上发展最快的一门激光技术[2]。激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺[3]。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。
2. 骑马机半导体激光器的基本理论原理
半导体激光器又称激光二极管(LD)。它的实现并不是只是一个研究工作者的或小组的功劳，事实上，半导体激光器的基本理论也是一大批科研人员共同智慧的结晶。
早在1953年，美国的冯·纽曼（John Von Neumann）在一篇未发表的手稿中第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性；认为可以通过向PN结中注入少数载流子来实现受激发射；计算了在两个布里渊区之间的跃迁速率。巴丁在总结了这个理论后认为，通过各种方法扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高。这应该说是激光器的最早概念。
苏联的巴索夫等对半导体激光器做出了杰出贡献，他在1958年提出了在半导体中实现粒子数反转的理论研究，并在1961年提出将载流子注入半导体PN结中实现“注入激光器”，并论证了在高度简并的PN结中实现粒子数反转的可能性，而且认为有源区周围高密度的多数载流子造成有源区边界两边的折射率有一差值，因而产生光波导效应。1961年，伯纳德和杜拉福格利用准费米能级的概念推导出了半导体有源介质中实现粒子数反转的条件，这一条
件为次年半导体激光器的研制成功提供了重要理论指导。
1960年，贝尔实验室的布莱和汤姆逊提出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔，为激发光提供反馈。
回顾这些理论发展历程，可以总结半导体激光器的基本理论原理：在直接带隙半导体PN结中，用注入载流子的方法实现伯纳德—杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空位复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内震荡并得到放大，最后产生相干激光输出[4]。
3. 半导体激光器发展历程
在上述理论的影响下，以及1960年产生的红宝石激光器的刺激下，美国和苏联科学家加紧了对半导体激光器的研究。1962年后期，美国四个实验室几乎同时宣布研制成功GaAs同质结半导体激光器，1963年，巴索夫也报导成功研制GaAs半导体激光器。这些同质结激光器，是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器，而且只能在液氮温度下工作，因而没有实用价值，但是他们的基本理论却是半导体激光器的理论基础。
半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs，GaAlAs 所组成的激光器。单异质结注人型激光器(SHLD)，它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP-熔断器底座N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度的激光器。1970年，人们又发明了激光波长为9000Å 在室温下连续工作的双异质结GaAsGaAlAs激光器。在半导体激光器件中，后来比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs二极管激光器。
kkkrr由于半导体激光器的诸多优点，以及高锟博士提出可以用光纤来传递信息，而半导体激光器正好可以满足光纤通讯中的光源要求，从1970年后，半导体激光器得到了突飞猛进的发展，其速度之快，应用范围之广，发展潜力之大是目前任何其他激光器所无法比拟的。
从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器；另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。前者也是最早投入实用的半导体激光器，其波长在0.83~0.85um，这正好对应光纤损耗谱的第一个窗口，后来波长在1.3um的激光器被研制成功并投入实用光纤通讯系统，很快，波长为1.55um的半导体激光器也面世。在信息传输方面，为了进一步降低激光器阈值和提供良好的单纵模输出以
及长期稳定工作，相继出现了结构不同，性能优良的半导体激光器，如掩埋式条形异质结激光器、分布反馈激光器、分布布拉格反射激光器、面发射激光器、量子阱激光器等等。对后者，在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器（连续输出功率在100W 以上，脉冲输出功率在5W以上，均可称之谓高功率半导体激光器）在20世纪90年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到600W。另外，还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中，可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长，可以很方便地对输出光束进行调制。20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展。目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络。
4. 半导体激光器研究现状
为了满足21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要，现今半导体激光器的主要研究集中在高速宽带激光器、大功率激光器，短波长激光器，盆子线和量子点激光器、中红外激光器等方面。
对于高速宽带半导体激光器，主要是1.31um和1.直链烷基苯55um波长半导体激光器, 用于高速数字光纤通信和微波模拟光信息传输、分配与处理。潜在市场是未来的信息高速公路和军事装备。高速宽带激光器，从80年代中期长波长光源商品化后便大量开发，主要通过改进管芯制作和封装技术。目前高速BH半导体激光器和MQW+DFB半导体激光器都已达到商品化，近几年来，更普遍地将应变层量子阱技术用于高速宽带半导体激光器[5]。有人预测，压应变InGaAs/InP MQW半导体激光器的本征3dB带宽可达到90GHz，而且应变量子阱可使半导体激光器的特征温度、阈值电流、输出功率等主要参数全面改善。如西门子报道的0.98um压应变lnGaAs/ GaAs 半导体激光器，本征带宽达到63GHz，3dB带宽达到30GHz。
大功率半导体激光器仍将集中在800nm波段，其次是2um左右。在800nm波段，光泵浦源又是重点[6]。其研究重点：一是侧面发射1cm阵列条堆积组件。其基本结构是先把若干压延玻璃1cm阵列条横向拼装成为光子组合块(LSA) ，然后将许多LSA纵向堆积成堆(stack)，随即把几个stack集合成集合块(manifold)，最后把许多manifold组合成大阵列。二是开发表面激射的二维阵列，这种结构从技术上讲本身就具备一次性形成单片式超大功率半导体激光器的潜力，其次是便于以后集合成超大功率半导体激光器组件。目前正在开发的表面大功率
半导体激光器阵列结构有DBR二次折射光栅、曲形谐振腔和45°角内腔微反射镜。
对于光信息存储而言，波长越短越有利于聚焦成小光斑，从而增加信息存储密度和容量；许多信息系统终端的感光体的感光度也与光源的波长成反比；在显示方面，绿是基之一，所以蓝-绿光已成为全显示的关键。在600nm以上半导体激光器商品化之后，蓝-绿光半导体激光器就成了短波长化的主要目标。
量子线激光器和量子点激光器的概念是1982年由东京大学尖端技术研究中心的荒川泰彦等人提出。国外有大量公司、研究所和院校在进行该领域理论和工艺的研究。为了实现室温下量子线或量子点激光器连续工作，线尺寸必须减少到20nm以下，而且尺寸误差必须十分小。这对微细加工技术提出了严峻的挑战。目前的试制技术大致分成两类：微细加工与晶体生长法。前者可以是电子束、聚焦离子束、X射线光刻和掩模；后者有横向生长、倾斜衬底台阶气相生长、激光辅助原子束外延( ALE) 生长等。目前量子线和量子点激光器仍处于基础研究阶段, 还有许多技术问题，但它必将成为下世纪新一代高性能半导体激光器。高分散白炭黑
大功率中红外（3~ 5um）半导体激光器是目前急需的半导体光源，它在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗口自由空间通信、大气监视和化学光谱学等方面有广泛应用前景。
近几年来，中红外半导体激光器在工作温度和输出功率提高方面取得了明显进展，主要采用一般量子阱和新开发的量子阱结构。1994年，林肯实验室报导了在3~4um波长和95K温度下获得1ms脉冲1W以上的峰值功率。
5. 半导体激光器的应用
由于半导体激光器体积小，结构简单，电光效率高，寿命长，易于调制和价格低等优点，使得它的应用范围相当广泛。
在光纤通讯中，半导体激光器是光纤通讯系统的唯一实用化的光源，而且光纤通讯已经成为当代通讯的主流。到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的光源。
在激光测距中，半导体激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。
在精密仪器加工中，借助Q开关半导体激光器产生的高能量超短光脉冲，可以对集成电路进行切割、打孔等。而在一般机械加工中，大功率半导体激光器也开始用于在软钎焊、材料表面相变硬化、材料表面熔覆、材料连接、钛合金表面处理、工程材料表面亲润特性改
进、激光清洁、辅助机械加工等。
光集成的信息存储应用中，人们采用短激光波长读出光盘的内容，采用蓝、绿激光来提高光盘的存储密度。
在信息处理应用中，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，且用于光计算机和神经网络中。
半导体激光器在军事上的应用主要为激光雷达、激光测距、激光引信、激光制导跟踪、激光瞄准和激光陀螺等[7][8]。
此外，半导体激光器还运用在环境检测和医疗中。在环境检测中，通过分析光谱来分析环境气体，从而监测大气污染、汽车尾气等。在医疗方面，半导体激光除了用于软组织切除，组织接合，凝固和汽化等外，还用于激光动力学，将与肿瘤有亲和性的光敏物质有选择地聚集在癌组织内，通过半导体激光的照射，使癌组织坏死，而对健康组织毫无损害。
6. 总结
半导体激光器已发展半个世纪，而且取得了骄人的成绩。由于其体积小，结构简单，电光效率高，寿命长等优点，被广泛的应用于通信、军事、机械加工等领域。但是，半导体激光器中还有很多需要研究者解决的问题，比如光束质量，比如低阈值高功率等等。而且我国的半导体研究和工艺相对落后，半导体激光器的芯片基本还需要从国外买，这也需要我国从事这方面的科研工作者刻苦钻研，迎头赶上。
参考文献
[1] 程东明. 21世纪的半导体激光器. 光机电信息, 2002, (1) : 8-14.
[2] 李学千. 半导体激光器的最新进展及其应用. 长春光学精密机械学院学报, 1997, 20(4) : 56- 63.
[3] 黄德修. 半导体光电子学. 成都: 电子科技大学出版社, 1989.
[4] 江剑平. 半导体激光器. 北京: 电子工业出版社, 2002.
[5] Goutain E et al. 30 GHz bandwidth, 1.55 μm MQW-DFB laser diode based on a new modulation scheme, Electron Lett , 1996, 32(10) : 896.
[6] He X et al. 155 W CW optical power from 1 cm monolithic AlGaAs/InGaAs laser diode array, Electron Lett , 1997, 33(14) : 1221.
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