半导体激光器的发展过程

在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后，哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功。

像晶体二极管一样，半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础，且外观亦与前者类似，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。 早期的激光二极管有很多实际限制，例如，只能在77K低温下以微秒脉冲工作，过了8年多时间，才由贝尔实验室和列宁格勒（圣彼得堡）约飞（Ioffe）物理研究所制造出能在室温下工作的连续器件。而足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。

半导体激光器体积非常小，最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料，一般为0.6～1.55微米，由于多种应用的需要，更短波长的器件在发展中。据报导，以Ⅱ～Ⅳ价元素的化合物，如ZnSe为工作物质的激光器，低温下已得到0.46微米的输出，而波长0.50～0.51微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。

光纤通信是半导体激光可预见的最重要的应用领域，一方面是世界范围的远距离海底光纤通信，另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。但就而言，激光唱机是这类器件的最大市场。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示，及各种医疗应用等。

20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的pn结二极管在正向大电流注人下，电子不断地向p区注人，空穴不断地向n区注人.于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧光，在一定的条件下发生激光，这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。 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，最先出现的是单异质结构激光器（1969年）.单异质结注人型激光器（SHLD）是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP一N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。

1970年，实现了激光波长为9000&Aring：室温连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs（砷化镓一镓铝砷）激光器。双异质结激光器（DHL）的诞生使可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高。其结构的特点是在P型和n型材料之间生长了仅有0. 2 Eam厚，不掺杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注人的载流子被限制在该区域内（有源区），因而注人较少的电流就可以实现载流子数的反转。在半导体激光器件中，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。

随着异质结激光器的研究发展，人们想到如果将超薄膜（<20nm）的半导体层作为激光器的激括层，以致于能够产生量子效应，结果会是怎么样?再加之由于MBE,MOCVD技术的成就。于是，在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器（QWL），它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能.后来，又由于MOCVD,MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半导体激光器与双异质结（DH）激光器相比，具有阑值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。

QWL在结构上的特点是它的有源区是由多个或单个阱宽约为100人的势阱所组成，由于势阱宽度小于材料中电子的德布罗意波的波长，产生了量子效应，连续的能带分裂为子能级.因此，特别有利于载流子的有效填充，所需要的激射阅值电流特别低.半导体激光器的结构中应用的主要是单、多量子阱，单量子阱（SQW）激光器的结构基本上就是把普通双异质结（DH）激光器的有源层厚度做成数十nm以下的一种激光器，通常把势垒较厚以致于相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为多量子阱（MQW ).量子阱激光器单个输出功率现已大于1w，承受的功率密度已达l OMW/cm3以上）而为了得到更大的输出功率，通常可以把许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵。因此，量子阱激光器当采用阵列式集成结构时，输出功率则可达到l00w以上.高功率半导体激光器（特别是阵列器件）飞速发展，已经推出的产品有连续输出功率5 W,10W,20W和30W的激光器阵列.脉冲工作的半导体激光器峰值输出功率50w. 120W和1500W的阵列也已经商品化.一个4. 5 cm x 9cm的二维阵列，其峰值输出功率已经超过45kW.峰值输出功率为350kW的二维阵列也已间世。 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.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[61.如果从激光波段的被扩展的角度来看，先是红外半导体激光器，接着是670nm红光半导体激光器大量进入应用，接着，波长为650nm,635nm的问世，蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功，10mw量级的紫光乃至紫外光半导体激光器，也在加紧研制中[a}为适应各种应用而发展起来的半导体激光器还有可调谐半导体激光器，电子束激励半导体激光器以及作为“集成光路”的最好光源的分布反馈激光器(DFB一LD），分布布喇格反射式激光器（DBR一LD）和集成双波导激光器.另外，还有高功率无铝激光器（从半导体激光器中除去铝，以获得更高输出功率，更长寿命和更低造价的管子）、中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.分布反馈（DF）式半导体激光器是伴随光纤通信和集成光学回路的发展而出现的，它于1991年研制成功，分布反馈式半导体激光器完全实现了单纵模运作，在相干技术领域中又开辟了巨大的应用前景它是一种无腔行波激光器，激光振荡是由周期结构（或衍射光栅）形成光藕合提供的，不再由解理面构成的谐振腔来提供反馈，优点是易于获得单模单频输出，容易与纤维光缆、调制器等耦合，特别适宜作集成光路的光源。

单极性注入的半导体激光器是利用在导带内（或价带内）子能级间的热电子光跃迁以实现受激光发射，自然要使导带和价带内存在子能级或子能带，这就必须采用量子阱结构.单极性注入激光器能获得大的光功率输出，是一种商效率和超商速响应的半导体激光器，并对发展硅基激光器及短波激光器很有利.量子级联激光器的发明大大简化了在中红外到远红外这样宽波长范围内产生特定波长激光的途径.它只用同一种材料，根据层的厚度不同就能得到上述波长范围内的各种波长的激光.同传统半导体激光器相比，这种激光器不需冷却系统，可以在室温下稳定 *** 作.低维（量子线和量子点）激光器的研究发展也很快，日本okayama的GaInAsP/Inp长波长量子线（Qw+）激光器已做到9OkCW工作条件下Im =6.A,l =37A/cm2并有很高的量子效率.众多科研单位正在研制自组装量子点（QD）激光器，该QDLD已具有了高密度，高均匀性和高发射功率.由于实际需要，半导体激光器的发展主要是围绕着降低阔值电流密度、延长工作寿命、实现室温连续工作，以及获得单模、单频、窄线宽和发展各种不同激射波长的器件进行的。 20世纪90年代出现并特别值得一提的是面发射激光器（SEL），早在1977年，人们就提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件，1987年做出了用光泵浦的780nm的面发射激光器.1998年GaInAIP/GaA。面发射激光器在室温下达到亚毫安的网电流，8mW的输出功率和11%的转换效率[2）前面谈到的半导体激光器，从腔体结构上来说，不论是F一P(法布里一泊罗）腔或是DBR（分布布拉格反射式）腔，激光输出都是在水平方向，统称为水平腔结构.它们都是沿着衬底片的平行方向出光的.而面发射激光器却是在芯片上下表面镀上反射膜构成了垂直方向的F一P腔，光输出沿着垂直于衬底片的方向发出，垂直腔面发射半导体激光器（VCSELS）是一种新型的量子阱激光器，它的激射阔值电流低，输出光的方向性好，藕合效率高，通过阵列化分布能得到相当强的光功率输出，垂直腔面发射激光器已实现了工作温度最高达71℃。另外，垂直腔面发射激光器还具有两个不稳定的互相垂直的偏振横模输出，即x模和y模，对偏振开关和偏振双稳特性的研究也进入到了一个新阶段，人们可以通过改变光反馈、光电反馈、光注入、注入电流等等因素实现对偏振态的控制，在光开关和光逻辑器件领域获得新的进展。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，且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用.980mn,850nm和780nm的器件在光学系统中已经实用化.垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络。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，半导体激光器的发展趋势主要在高速宽带LD、大功率ID，短波长LD，盆子线和量子点激光器、中红外LD等方面.在这些方面取得了一系列重大的成果。

江苏激光联盟 导读：来自MIT和滑铁卢大学的研究人员发展了一个高功率、可移动的激光装置，称之为调谐量子级联激光器，这一类型的激光器可以在实验室外产生太赫兹激光。激光可以潜在的应用在诸如皮肤癌定位和探测隐藏的爆炸物 。这一成果发表在近日出版的《Nature》上。

研发的可以产生太赫兹激光的 调谐量子级联激光器

直到今天，产生足够功率的太赫兹激光可以实现 实时的影像和温度在低于200K或更低的温度下的快速的光谱测量 。这些温度只能通过设备整体上的温度下降来实现，从而限制了该技术只适合在实验室使用。在近日出版的顶刊《Nature》中，来自MIT的杰出的电子工程学教授和计算科学教授 Qing Hu 及其同事报道了他们的量子级联激光器，可以实现在为温度高于250K时进行工作，这意味着只需要一个可移动的冷却系统就可以满足。

太赫兹量子级联激光，嵌入微型芯片 半导体激光器件，首次在2002年被发明，但直到该技术可以适应在高于200K时进行工作被证明是非常困难的，因为在这一领域由于物理的原因阻止了这一目标的实现，Hu说到。

在一个比较高的温度进行工作，我们可以最终将这一技术应用在紧凑且可移动的系统中，并在这一领域取得突破，而在实验室外进行应用，Hu说，这将使得可移动的太赫兹影像和光谱系统可以立即在很宽广的范围得到应用，诸如医疗、生物化学、安全以及其他领域。

Hu开始研究太赫兹频率——一种电磁（波）谱在微波和红外范围之间的波段，可以追溯到1991年。

这一研究花了我们11年的时间，并且三代学生的持续努力，使得我们的太赫兹级联激光器在2002年问世，他说到，从此以后，最高的极限工作温度成为限制我们使用太赫兹激光的最大障碍，基本维持在室温以下。在本文中报道的最高温度为250K，被认为是在早先210 K基础上前进了一大步，这一工作温度为210 K的结果在2019年获得的，这一结果是在2012年取得的温度为200K 的基础上前进的，这一进步花了7年。

这一激光，测量长度只有几毫米何厚度比人的头发还要细的目标，

我们理解，在电子泄露的障碍之上对这一激光器来说就是一大杀手，属于量子阱结构且精细定制的工程和障碍。在这些结构内，电子像瀑布一样下降而形成类似台阶的结构，在每一步的台阶发射出一个光粒子或光子。

在期刊《Nature Photonics》中曾经描述了一个非常重要的革新，就是在激光倍增障碍的高度以阻止电子的泄露，这是一种用以在更高温度实现增加的现象。我们理解，在电子泄露的障碍之上，导致系统出问题，如果不能采用低温恒温器进行冷却的话，Hu说到，比较流行的观点就是散射，同时伴随着高的障碍是有损伤的，因此高的障碍需要避免。

研究团队发展了正确的参数用于能带结构，这一结构用于高的障碍和新的设计。

研究团队最大的贡献在于，量子装置的模拟和制造上，使得在THz 光子的挑战上所面临的问题取得了非常重要的进展。

在一个医学设置中，新的可移动激光系统，包括一个紧凑型的相机和探测器，可以在任何有插座的地方进行使用，可以实现常规皮肤的扫描的实时影像或在手术中进行皮肤癌的练习，这些癌细胞在太赫兹激光中表现得非常明显，这是因为他们含有高水和血的浓度比常规得细胞要高。

这一技术同时可以应用在许多工业领域中，只要是需要探测异物的场合均可以使用，且探测的产品需要确保安全和质量的就可以。

探测气体、药物和爆炸物等成为使用太赫兹激光中比较复杂的事情。例如，化合物，如氢氧化物，是一种臭氧破坏剂，在太赫兹激光频率下具有特定的光谱指纹信息，同时对于药物，包括海洛因以及爆炸物等，如TNT。

In a medical setting, the new portable system, which includes a compact camera and detector and can operate anywhere with an electric outlet, could provide real-time imaging during regular skin-cancer screenings or even during surgical procedures to excise skin cancer tissues. The cancer cells show up "very dramatically in terahertz" because they have higher water and blood concentrations than normal cells, Hu says.

The technology could also be applied in many industries where the detection of foreign objects within a product is necessary to assure its safety and quality.

Detection of gases, drugs, and explosives could become especially sophisticated with the use of terahertz radiation. For example, compounds such as hydroxide, an ozone-destruction agent, have a special spectral "fingerprint" within the terahertz frequency rage, as do drugs including methamphetamine and heroin, and explosives including TNT.

利用室温热释电探测器和TH在相机进行TEC冷却的THZ QCL的测量装置

利用太赫兹激光，我们不仅可以观察 光学不透明材料 （黑体材料），还可以识别物质。Hu说到。他同时还说：在不需要冷却系统的前提下也可以产生的太赫兹激光，从而可以清晰的观察到目标

来自：High-power portable terahertz laser systems, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-00707-5 , www.nature.com/articles/s41566-020-00707-5

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