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。

激光具有高相干性、方向性、高强度的特质，很容易获得很高的光通量密度，将强的激光束聚焦到介质上，利用激光束与物质相互作用的过程来改变物质的性质，这就是激光加工。

激光加工技术随着光、机电、材料、计算机、控制技术的发展已经逐步发展成为一项新的加工技术。激光加工具有加工对象广、变形小、精度高、节省能源、公害小、远距离加工、自动化加工等显著优点，对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等的作用愈来愈重要。

激光加工主要应用在电子、汽车、机械制造、钢铁冶金、石油、轻工、医疗器械、包装、礼品工业、钟表、民爆、服装、化妆品、烟草、航空航天等行业，而且应用范围越来越扩大，在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标、激光雕刻、激光测量测距、激光金属探伤等方面已得到广泛应用。

1999年世界激光产品销售约49亿美元, 约合人民币400亿元，并以每年11%以上的速率增长。

1996年至2000年，全球激光加工系统的销售额以年均13%的增长率增长，2001年以来，每年也有12%以上的增长率，而半导体激光器、全固化固体激光器、准分子激光器加工系统增长更快，达23％，这反映出微电子工业、通讯工业及微光机电一体化系统的发展需要非常崭新的加工手段来满足制造上的需求。

从激光加工系统应用来看，以1999年的应用为例：销售额的30％用于激光切割、29％用于激光标记、15％用于激光微加工，13％用于激光焊接、其它应用占9%。

目前，用于激光加工的工业激光器主要有两大类：固体激光器和气体激光器。其中，固体激光器以Nd:YAG 激光器为代表；而气体激光器则以 CO2 激光器为代表。随着激光技术的发展，目前人们也开始在某些加工应用场合使用大功率光纤激光器和大功率半导体激光器。

成都激光加工厂研发制造的 Nd:YAG 激光器的激光工作物质为固态的 Nd:YAG 棒，其激光波长为 1.06μm。由于该种激光器的激光转换效率较低，同时受到 YAG 棒体积和导热率的限制，其激光输出平均功率不高。

但由于 Nd:YAG 激光器可以通过 Q 开关压缩激光输出的脉冲宽度，在以脉冲方式工作时可获得很高的峰值功率（108W），适用于需要高峰值功率的激光加工应用；其另一大优点是可以通过光纤传输，避免了复杂传输光路的设计制作，在三维加工中非常有用。

此外，还可以通过三倍频技术将激光波长转换为 355nm（紫外），激光器和计算机连接，在激光立体扫描、造形技术中得到很好地应用。

CO2 激光器的激光工作物质为 CO2 混合气体，其主要应用的激光波长为 10.6μm。由于该种激光器的激光转换效率较高，同时激光器工作产生的热量可以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外，其激光输出平均功率可以做到很高的水平（万瓦以上），满足大功率激光加工的要求。

激光加工是未来材料加工应用发展的趋势之一，而 CO2 激光加工一直占激光材料加工中最主要的地位，世界激光市场也以 CO2 激光机器为主力，约占全部的七成左右，每年以百分之十左右的速度增长。近几年来，随着国际和国内整体产业环境的改变，在产业水准提升、专业人员缺乏、自动化需求增加、产品附加价值和加工质量有待提高的压力下，激光加工应用已逐渐被国内产业界接受并采用。

由于我国激光器的研发和制造起步较晚，市场拥有量较低，应用领域越来越广，短期内可维持较高的激光市场增长率，加工应用的市场潜力也很大。

但产业界和工业 CO2 激光的使用者，仍然有许多问题需要去解决，尤其在相关技术人员的养成训练和新的加工应用领域开拓这两方面，更须下大力气。激光激光的前景是广阔的，激光加工手段的不断进步必将带来材料加工领域的一次革命。