激光二极管的简介

半导体激光二极管的基本结构：垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里——珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。

半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：

λ = hc/Eg ⑴

式中：h—普朗克常数； c—光速； Eg—半导体的禁带宽度。

上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是激光二极管的简单原理。 随着技术和工艺的发展，多层结构。

常用的激光二极管有两种：①PIN光电二极管。它在收到光功率产生光电流时，会带来量子噪声。②雪崩光电二极管。它能够提供内部放大，比PIN光电二极管的传输距离远，但量子噪声更大。为了获得良好的信噪比，光检测器件后面须连接低噪声预放大器和主放大器。

半导体激光二极管的工作原理，理论上与气体激光器相同。 ⑴波长：即激光管工作波长，可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

⑵阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。

⑶工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。

⑷垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15˚~40˚左右。

⑸水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6˚~ 10˚左右。

⑹监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。

激光二极管在计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头，条形码扫描仪，激光测距、激光医疗，光通讯，激光指示等小功率光电设备中得到了广泛的应用，在舞台灯光、激光手术、激光焊接和激光武器等大功率设备中也得到了应用。

国内大多都是用CO2激光管，运用于激光打标机、激光雕刻机等等激光管作为所有激光应用产品的核心部件，是所有激光应用产品的重中之重；而且激光管的种类是很多。下面，将分别从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类介绍。按工作物质分类　根据工作物质物态的不同可把所有的激光管分为以下几大类：①固体（晶体和玻璃）激光管，这类激光管所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的；②气体激光管，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光管、离子气体激光管、分子气体激光管、准分子气体激光管等；③液体激光管，这类激光管所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子（如Nd）起工作粒子作用，而无机化合物液体（如SeOCl）则起基质的作用；④半导体激光管，这类激光管是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用；⑤自由电子激光管，这是一种特殊类型的新型激光管，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。按激励方式分类　①光泵式激光管。指以光泵方式激励的激光管，包括几乎是全部的固体激光管和液体激光管，以及少数气体激光管和半导体激光管。②电激励式激光管。大部分气体激光管均是采用气体放电（直流放电、交流放电、脉冲放电、电子束注入）方式进行激励，而一般常见的半导体激光管多是采用结电流注入方式进行激励，某些半导体激光管亦可采用高能电子束注入方式激励。③化学激光管。这是专门指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光管，反希望产生的化学反应可分别采用光照引发、放电引发、化学引发。④核泵浦激光管。指专门利用小型核裂变反应所释放出的能量来激励工作物质的一类特种激光管，如核泵浦氦氩激光管等。按运转方式分类　由于激光管所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。①连续激光管，其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出，可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行，以连续光源激励的固体激光管和以连续电激励方式工作的气体激光管及半导体激光管，均属此类。由于连续运转过程中往往不可避免地产生器件的过热效应，因此多数需采取适当的冷却措施。②单次脉冲激光管，对这类激光管而言，工作物质的激励和相应的激光发射，从时间上来说均是一个单次脉冲过程，一般的固体激光管、液体激光管以及某些特殊的气体激光管，均采用此方式运转，此时器件的热效应可以忽略，故可以不采取特殊的冷却措施。③重复脉冲激光管，这类器件的特点是其输出为一系列的重复激光脉冲，为此，器件可相应以重复脉冲的方式激励，或以连续方式进行激励但以一定方式调制激光振荡过程,以获得重复脉冲激光输出,通常亦要求对器件采取有效的冷却措施。④调激光管,这是专门指采用一定的 开关技术以获得较高输出功率的脉冲激光管，其工作原理是在工作物质的粒子数反转状态形成后并不使其产生激光振荡 (开关处于关闭状态)，待粒子数积累到足够高的程度后，突然瞬时打开 开关，从而可在较短的时间内（例如10～10秒）形成十分强的激光振荡和高功率脉冲激光输出（见技术'" class=link>激光调 技术）。⑤锁模激光管，这是一类采用锁模技术的特殊类型激光管，其工作特点是由共振腔内不同纵向模式之间有确定的相位关系，因此可获得一系列在时间上来看是等间隔的激光超短脉冲（脉宽10～10秒）序列，若进一步采用特殊的快速光开关技术，还可以从上述脉冲序列中选择出单一的超短激光脉冲（见激光锁模技术）。⑥单模和稳频激光管，单模激光管是指在采用一定的限模技术后处于单横模或单纵模状态运转的激光管，稳频激光管是指采用一定的自动控制措施使激光管输出波长或频率稳定在一定精度范围内的特殊激光管件，在某些情况下，还可以制成既是单模运转又具有频率自动稳定控制能力的特种激光管件（见激光稳频技术）。⑦可调谐激光管，在一般情况下，激光管的输出波长是固定不变的，但采用特殊的调谐技术后，使得某些激光管的输出激光波长，可在一定的范围内连续可控地发生变化，这一类激光管称为可调谐激光管（见激光调谐技术）。按输出波段范围分类　根据输出激光波长范围之不同，可将各类激光管区分为以下几种。①远红外激光管，输出波长范围处于25～1000微米之间, 某些分子气体激光管以及自由电子激光管的激光输出即落入这一区域。②中红外激光管，指输出激光波长处于中红外区(2.5～25微米)的激光管件,代表者为CO分子气体激光管(10.6微米)、 CO分子气体激光管（5～6微米）。③近红外激光管,指输出激光波长处于近红外区（0.75～2.5微米）的激光管件，代表者为掺钕固体激光管（1.06微米）、CaAs半导体二极管激光管(约 0.8微米)和某些气体激光管等。④可见激光管，指输出激光波长处于可见光谱区（4000～7000埃或0.4～0.7微米）的一类激光管件，代表者为红宝石激光管 （6943埃）、 氦氖激光管（6328埃）、氩离子激光管（4880埃、5145埃）、氪离子激光管（4762埃、5208埃、5682埃、6471埃）以及一些可调谐染料激光管等。⑤近紫外激光管，其输出激光波长范围处于近紫外光谱区（2000～4000埃），代表者为氮分子激光管(3371埃)氟化氙(XeF)准分子激光管（3511埃、3531埃）、 氟化氪(KrF)准分子激光管(2490埃)以及某些可调谐染料激光管等⑥真空紫外激光管,其输出激光波长范围处于真空紫外光谱区(50～2000埃）代表者为（H）分子激光管 (1644～1098埃)、氙(Xe)准分子激光管（1730埃）等。⑦X射线激光管, 指输出波长处于X射线谱区（0.01～50埃）的激光管系统，目前软X 射线已研制成功，但仍处于探索阶段。

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