简诉半导体激光器的构成及各部分作用

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：

半导体制造工艺进行扩散和注入,形成 IC 有源器件的部分.

这种结构由三层不同类型半导体材料构成,中间层通常为厚度为0.1～0.3μm的窄带隙P型半导体,称为有源层,作为工作介质,两侧分别为具有较宽带隙的N型和P型半导体,称为限制层.具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结.有源层与右侧的N层之间形成的是P--N异质结,而与左侧的P层之间形成的是P--P异质结,故这种结构又称N-P-P双异质结构,简称DH结构.

所有的光（即传统光源or激光光源），都是原子、分子能级变化所造成的。这些特定能级差别的吸收和释放都表现成为特定波长的光。光子射出的能量（焦耳）等于h*f，其中h是普朗克常数，f是频率的辐射，这适用于激光和传统的发光系统。光辐射能量在原子从高能态掉到低能态的时候放出。然而，一个原子想发光，首先必须吸收的能量，使得低能态原子被打到高能态，这在激光领域叫做“泵浦，pump”。所有光包括自发和激光需要一定量的能量吸收。

显然，没有哪个自发辐射光源能达到激光光源的光谱质量。这是因为传统光源是系统处在各种能级都有的杂乱辐射状态。传统光源的基本特征是宽光谱分布，随机极化，圆形和不规则的波阵面和较低的色温。激光的发射原理不同于常规光，不是各种能级加在一起的自发辐射产生的，而是受激发射，各种能级的原子被泵浦到较高的一个激发态上，由于维持的时间总体正态分布，大部分原子都在一段极短的时间内掉到同一个较低的能态上，这种发射方式导致光处在几乎一致的能量水平，也就是我们平常所说的激光单色性。

为了维持这种翻转的粒子数够多，必须有外部的能量把掉下来的原子搬到激发态上，这就需要脉冲激光（例如本教程要做的固态灯泵脉冲YAG激光器）中的脉冲氙灯，半导体泵浦激光（又叫DPSS激光，例如绿色的激光笔）中的半导体激光器，气体放电激光（例如氦氖激光器、CO2激光器）中的放电，化学激光（例如武器级的氧碘激光）中的化学反应等能量源来提供能量了。

世界上很多物质都能受激发光，但是，只有少部分物质能够发出有用的激光。激光物质必须有特定的粒子结构使得粒子翻转群可以被激发到一定的密度，一般是一些晶体或者气体、液体。这些激光物质一般被放在两个镜子之间，使得能量能够经过多次来回反射而放大达到能够使用的级别。一面镜子是全反镜，反射几乎所有的光，也叫HR，一面镜子是半反镜，也叫输出镜，OC,一般反射20%到80%的光，激光在两个镜子之间多次往返放大后，从这里打出来一部分做输出。

在现在成千上万种激光设备中，红宝石激光器是世界上最早的激光器，它由Schawlow &ampTownes在60年代制造出来。虽然他的结构极端简单，但是在现在还是一个常见的大能量脉冲激光器。它跟YAG、钕玻璃等同时属于固体激光器。红宝石激光器在脉冲氙灯照射下的工作效率只有大概0.1%， 但是由于荧光寿命很长，可以很容易用机械Q开关（一个旋转的全反棱镜去把脉冲压缩到ns量级，脉冲功率轻松突破兆瓦）。

这里简单解释一下Q开关。最简单的q开关就是一个马达连着一个镜子，没对准的时候没有来回往复的光，可以让高能态粒子的数量慢慢的聚集增多，在对准的瞬间释放，达到很窄而功率很大的脉冲。另外一种适合DIY的Q开关是被动式Q开关（passive q-switch），当光能量密度达到某一个阀值时候，他突然由不怎么透光变得很透光，使得之前聚集的高能态粒子得以瞬间释放，这种晶体比较难找，价格也比较高，只能碰运气。工业上用的比较多的有电光调Q、声光调Q等方式做的q开关，用在进一步压缩脉冲激光的脉冲或者使连续半导体泵浦的激光晶体输出峰值功率很高的脉冲激光，方便打标、切割。

欣赏一些图：

经典的红宝石激光器反射腔结构：左边是闪光灯，右边是红宝石棒，周围是反射材料（还没铺上镜面膜，可以YY一下效果）。

机械Q开关：

激光器在350毫焦耳输出光能的情况下，很轻易的打穿剃须刀刀片：

红宝石激光器的效率虽然不高，只有0.1%，产生的是暗红色的694.3nm光，但是由于它的结构极其简单，有代表性，跟YAG激光器结构一致，能级（3能级系统）更加简单，分析起来比较好理解。笔芯粗细，手指那么长的红宝石棒就可以轻松的产生打穿铁皮、从月面上反射回来被检测到的激光束，这些激光器在没有发明效率高得多的YAG激光棒（1%-3%）的时候，被广泛的用在激光切割机、钻孔机上，许多军用的非致命性武器也采用更小的红宝石棒子。

红宝石是一种3能级的激光材料，见figure 2，一般是把光学性能很好的三氧化二铝晶体里面掺上0.03 - 0.4% 的Cr +3，做成人工红宝石，比一般的天然红宝石有好得多的光学性能。常见的红宝石棒尺寸从0.5cm到2cm直径，4cm到16cm长。看上去可能是很浅的粉红色玻璃棒样子或者很深的红棕色，这要看棒子的掺Cr浓度。用绿激光笔打进去会有很特别的颜色出来。详情见下图：

一束532nm的绿色激光从侧面射入，在切断瞬间拍下荧光，如果有光纤光谱仪看更好：

系统内的4A能级(低能态)原子们有一大半的原子被外部的能量泵到更高的能态，laser才能lase。从figure 2看出， 红宝石激光器的吸收大部分集中在两个区域，T1(紫外)、T2(绿光)。这些吸收范的效率比较高的区域光谱宽度大概100nm。被打到T1/T2状态的离子很快掉到2E能级，造成了2E翻转群体密度增大到能打出激光的阀值。在这个阀值密度以下，红宝石既不能发出激光，也不能用来放大激光（其实两个是一样的原理）。此后，从2E能态到低能态的时候，这些多出来的能量就以波长为694.3nm的光的形式发出。一个2E能级的离子掉到低能态时候发出的6943光促使了周围的2E也跟着掉，可以理解成一种比较低成功率的连锁反应。这幅图是一个极端简这幅图是一个极端简化、不准确的非比例模型。化、不准确的非比例模型，它没有展示出一些2E/4A能级里的精细能级， 我记得2E中文好像叫做亚稳态，具体细节可以谷歌一下。这些精细能级会把694.3nm的激光参杂进一些附近的杂峰。这个问题不影响一般的实验。如果需要特别纯净的光谱可以把激光棒冷却到大概75K，这时候线宽就会变成大概10-15 GHz窄了。

闪光灯

显然，要产生激光的先决条件是有一束富含紫外和绿光的强光束照射到激光棒内，使得离子翻转密度达到阀值。一种被广泛使用的方法就是用脉冲氙灯做强光源。结构很简单，只要把氙灯的光投射到棒子上就可以了。

闪光灯，有几个重要的参数。我们关心的其实就两个，弧长和1800v、电解电容下的炸灯能量。一般的，闪光灯为了适应工业用途，datasheet标称的工作电压是1500v以上的一个值，只有满足这个储能电压才能达到标称的光能密度和脉冲宽窄（主峰0.5ms以下，满足打孔的需要）。

但是，对爱好者而言，最重要的参数不是光斑质量、脉冲宽度，而是一个脉冲所携带的能量。所以，把一个1800v的灯降到400V左右依然能够维持类似的适合YAG、红宝石吸收优良光谱特性（YAG在红外段有强烈吸收峰，降低能量使得闪光光谱分布偏向红外更能提高效率），脉冲宽度延续长到5ms甚至10ms量级，可以把1800v炸灯能量400J的灯安全地在2000J左右的脉冲储能下工作。降压驱动还有很多好处，获得几十倍的输出脉冲能量情况下仍然保持同样的器件要求，例如，一个YAG棒能够承受10J@1ms的功率密度，大概是10KW，如果保持同样的氙灯脉冲宽度，用10倍大能量的灯，粗略估算会造成棒子内有100KW的峰值功率，同样尺寸的YAG显然无法hold住，这就要用10倍体积的YAG了，同时造成了10倍甚至更高倍数的价格。然而，当我把同一个灯储能电压降低，使得脉冲宽度延长到10倍，能量增加十倍，同样的尺寸的灯在很低重复率的时候（EG, 100S/PULSE）可以很轻松的hold住同样的小棒子内的瞬间功率依然是10KW，但是输出能量就达到了恐怖的10倍。

主流的闪光灯有以下两种：

1、环形闪光灯

世界上第一个激光器用的是一种多圈环形闪光灯。效率没有直线闪光灯高但是耐受能量大得多。这种闪光灯一般难以买到，管长太大难以触发、脉冲整形网络难做、电容储能电压高，但是适合做可以承受非常大能量的闪光灯。这种闪光灯建模很难, datasheet数据很大区别,没什么普遍总结的规律。一般工作耐受能量超过2KJ。

2直线闪光灯。

现在绝大部分工业激光器和业余激光器都采用这种氙灯结构。泵浦效率高，水冷方便，制造工艺简单，触发容易，是大部分激光采用这种结构的原因。这些闪光灯可以在淘宝上搜索“脉冲氙灯”买到工业配件氙灯，一个典型的值是10cm弧长8mm直径的氙灯在400V储能下可以轻易hold住2200J的能量。

反射腔

实际上方法有很多，效率从80%到95%都有，在业余的条件下60%以上都可以接受。要知道用白纸把闪光灯和激光棒裹一圈都能达到60%。

1、椭圆镜面反射腔体（适合水冷，但是比较难加工。棒子的光分布不是特别均匀）

可以用好加工的材料做一个支架，蒙上一层镜面膜例如抛光后的铝箔纸or镀银的铜皮。或者直接用一截内部略微抛光带点漫反射的铝管压扁凑合用。除非你有很高的加工精度，或者想要达到很密的脉冲，不然不建议采用这种方式。

1.1一种椭圆腔的变式-双椭圆反射腔，可以装两个灯，同时方便的水冷，达到很好的大能量准连续输出效果，许多80年代的激光武器都是这样做的。有能力加工的同志们可以考虑一下这种形式。下图是截面结构和一篇论文里用ZEMAX软件模拟出来的棒子截面光密度，光斑质量不是太好但是能够达到很大的能量，例如40mm直径90cm长的钕玻璃棒用这种结构做到2000J脉冲输出，这需要100kJ的电容储能，每一根闪光灯分担50KJ能量，易于减小体积同时方便水冷。

2、    紧裹漫反射腔体

效率不必椭圆腔差多少，水冷的话可以用陶瓷、橡胶做，无需抛光，大大降低工艺，成为市面上90%以上工业用途所采用的方法。业余条件下一般不需要连续工作，没有必要水冷。一个比较好的方法是用铝箔纸紧裹，轻松达到90%以上的效率，如果有条件的话，铜皮镀膜银能进一步增高效率，结构一样简单。

一篇论文中模拟出来的结果还不错，光斑质量已经让人满意。

考虑到有些设备齐全的人会选择自己镀反射腔，给出两种常用抗腐蚀、光学性能优良的镀层材料（金、银）的反射率vs波长，请根据激光器的棒子所需要的波长选择。

金从500多纳米开始反射，这就使得他不适合红宝石激光器（大部分在紫外、绿光吸收），而适合YAG激光器（紫外会抑制激光的效率）。然而银在红外范围不如金，但是差别不是太大。可以根据自己的技术能力抉择。

水冷可以参照下图的结构做两端的防水结构（参考设计）：

储能与触发

    对于入门级爱好者：储能部分跟线圈炮、轨道炮类似，尽量多的350-450v电解电容并联，鉴于高压电的危险性以及氙灯爆炸的破坏力，储能不要超过500焦耳，建议400v时候容量不超过7000uF, 450v不超过6000uF，350v闪光灯电容不超过8000uF。充电线路就用普通的zvs+EE变压器即可，与线圈炮不同的是，闪光灯在冷态（没有高压激发的时候）对于几百伏的直流电是近乎绝缘的，所以充电的时候电容阵可以连接在闪光灯两端，也就是说可以把电容永久的焊在闪光灯上，不需要开关、可控硅之类的东西，闪光灯本身就是一个触发开光。触发其实也很简单，在外壳上加一个瞬间的高压脉冲就可以了。如果没有了解过的同志们可以找一个一次性照相机拆开研究一下闪光灯管的触发结构。对于骨灰级爱好者，请自行斟酌你的灯能够承受多大能量的脉冲。提醒一下，处理这种量级的闪光灯务必戴好防护器具，充高压气体的玻璃管要是碎了碎片不是一般的厉害。

实际上，触发高压产生方法有很多，只要满足1、脉冲够尖（例如zvs拉弧肯定不行，不把灯管烧炸也会把电容搞坏）2、电压够高（直接拆相机几cm长度，几mm直径的闪光灯触发线路显然不够击穿10cm长度，玻璃壁厚2mm的灯管）3、容易驱动（做一大堆控制线路结果触发器比整个激光还大不划算）。在这里举几个例子：

补充： 由于RMB的神圣不可侵犯不能损坏， 特找了些红宝石激光器350mj能量（算极其小的了）打穿某国硬币、勺子的图：

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