hzw2020-11-10（VCSEL）

VCSEL全称为垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser），是半导体激光器的一种，当前以砷化镓半导体为基础材料的VCSEL居多，发射波长主要为近红外波段。

顾名思义，VCSEL是一种垂直于衬底面射出激光的激光器，有区别于传统的边发射半导体激光器，如F-P激光器(法布里-珀罗激光器)、DFB（分布式反馈激光器）。其可以在衬底上多个方向上排列多个激光器，从而形成并行光源或者面阵光源，是光纤通信或者光感测领域的主要光源之一。

相较于传统的半导体激光器，VCSEL有以下诸多优点：

1）有源层体积极小，从而可以获得极低的工作阈值，如材料工艺发展可期待极低阈值甚至无阈值发光器件；

2）波长和阈值对温度变化相对不太敏感（当然VCSEL本身也属于半导体激光器的一种，也就逃脱不了温度对其影响的宿命，其波长相对于温度变化的温漂系数大约为0.06 nm/℃，相比于F-P激光器的0.3 nm/℃来说已经小很多了。）；

3）腔长量级与波长相近，甚至更小（半波长量级），故纵模间隔较大， 可实现单纵模出射 ；

4）可得到较大的驰豫振荡频率，从而 实现较高的调制频率 ；

5）出射圆形光斑，易于与光纤耦合；

6）封装简易，且 可以形成二维激光阵列 ；

7）预期工作寿命达10万小时及以上。

VCSEL结构一般由上、下布拉格反射镜(DBR)和中间有源区三部分组成，其典型的外延结构如图1所示从下到上依次是衬底、N型接触层、N型DBR、量子阱有源区、P型DBR、P型接触层。示意图如图1所示。

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。

半导体激光器的核心发光部分为激光二极管，是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高半导体激光器的内、外部量子效率。常规Φ5mm型半导体激光器封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质（掺或不掺散色剂），起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到半导体激光器的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。

核心零件激光二极管：

而普通的激光笔，一般也就相当于是一种简易的半导体激光器而已：

参考结构：

半导体激光器最基本的结构就是：准直透镜组、激光二极管、散热外壳（激光二极管是半导体激光里发热最厉害的部分，而且对温度敏感，娇气，所以散热很重要）、恒流驱动电路、电源（包括电池、开关电源）；而工业上用的，为了能长时间工作，通常都有温控和散热冷却（风冷、水冷、TEC半导体制冷）。

工业上的一般是这种：

听我娓娓道来。

首先，激光的英文叫Laser light amplification by stimulated emission of radiation. 就是通过受激发射实现光放大。

光通过谐振腔的选模作用和增益介质的放大作用，经过震荡和放大，实现拥有单色性、准直性、相干性非常好的光束，这个就是激光。

激光器有很多种类型，但他的必要组成部分无外乎： 谐振腔、增益介质、泵浦源。

形成激光的一个重要条件是，粒子数反转，就是导带的粒子数密度大于价带（半导体）或高能级的粒子数密度大于低能级（气体或固体），激光的现象就是在这样一种偏离了平衡态的稳态。

半导体激光器比起固体激光器和气体激光器，结构上还是有很大区别的。半导体激光器一般是三层或多层异质结结构，这样由于折射率的的内大外小自然构成了光约束，又由于异质结结构形成的量子井结构（最早的半导体激光器不是量子井结构的，随着MBE的半导体加工技术的应用，单井和多井结构得以实现），对载流子形成了约束，使受激发射大都发生在增益介质的带边，这样就大大提高了激光器的效率。 半导体激光器是电泵浦的，不同于气体激光器或固体激光器的光泵浦。

半导体激光器的工作过程是这样的，由于外加电场的作用，载流子开始移动，由于量子井的存在，载流子开始在量子井中堆积，然后一部分导带的电子会自发跃迁回价带放出一个能量等于带隙宽度（band gap）的光子，这个过程叫自发发射，一部分自发发射的光子会被吸收，再放出两个光子，这个过程叫受激发射，这样自发发射的光子成为了最初的泵浦光，然后不断的发生受激发射，受激发射的光子会在增益介质中不断震荡，不断的使更多的光子受激发射出来，当外加电场强度达到粒子数反转所需强度之后一段时间，便会有稳定的激光输出了。

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这个过程当中有很多很多细节问题，不明白可以问我。

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