一文讀懂半導(dǎo)體激光器（1）

來(lái)源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

一、半導(dǎo)體激光器簡(jiǎn)介

半導(dǎo)體激光器俗稱激光二極管，因?yàn)槠溆冒雽?dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的特性所以被稱為半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器由光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊、合束器件、激光傳能光纜、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，在電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)激光輸出。半導(dǎo)體激光器的常用工作物質(zhì)主要有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等。根據(jù)不同的工作物質(zhì)主要有三種激勵(lì)方式：電注入，pump式和高能電子束激勵(lì)。

（1）電注入是半導(dǎo)體激光器，一般由GaAS、CdS、InP、ZnS等工作物質(zhì)作為主要材料，制成半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，在受到電注入時(shí)，沿著正向偏壓注入的電流，對(duì)工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，從而在節(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。

（2）Punp式激光器，一般由晶體中摻入受主雜的的以空穴為載流子的鍺單晶（P型半導(dǎo)體單晶）或以電子為載流子的鍺單晶（N型半導(dǎo)體單晶）作為工作物質(zhì)，并通過(guò)其他激光器發(fā)出的激光作pump激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)種群反演。

（3）高能電子束激勵(lì)式半導(dǎo)體激光器，一般在工作物質(zhì)的選擇上與pump式激光器相似，也是選用半導(dǎo)體鍺單晶，但值得注意的問(wèn)題是，在P型半導(dǎo)體單晶的選擇上高能電子束激勵(lì)式半導(dǎo)體激光器主要以PbS。CbS和ZnO為主。

半導(dǎo)體激光器種類較多，根據(jù)其芯片參數(shù)、封裝方式的不同，有多種分類方式。

二、半導(dǎo)體激光器技術(shù)發(fā)展情況

自1962年發(fā)明了世界上第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器以來(lái)，半導(dǎo)體激光器發(fā)生了巨大的變化，極大地推動(dòng)了其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

近年來(lái)用于信息技術(shù)領(lǐng)域的小功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展極快。如用于光纖通信的DFB和動(dòng)態(tài)單模的激光二極管以及在光盤處理中大量應(yīng)用的可見光波長(zhǎng)的激光二極管，甚至是超短脈沖的激光二極管都得到了大幅度的革新性進(jìn)步。

小功率激光二極管其自身還擁有這高集成、高速率以及可調(diào)諧的發(fā)展特征。大型高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展速度也不斷加快。

在上世紀(jì)八十年代，獨(dú)立的激光二極管的輸出功率已經(jīng)在100mW以上，并達(dá)到了39%的轉(zhuǎn)化效率。等到了90年代，美國(guó)人又一次將指標(biāo)提高一個(gè)新的水平，達(dá)到了45%的轉(zhuǎn)化效率，就輸出功率來(lái)看，也從W到了KW級(jí)的轉(zhuǎn)變。

目前各國(guó)在研制項(xiàng)目的支持下，半導(dǎo)體激光器的芯片結(jié)構(gòu)、外延生長(zhǎng)和器件封裝等激光器技術(shù)均有了長(zhǎng)足發(fā)展，單元器件的性能也實(shí)現(xiàn)了重大突破：電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)70%以上，很低的光束發(fā)散角，單巴條連續(xù)輸出功率超過(guò)千瓦，采用碳納米(CN)熱沉使激光器的冷卻效率比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體巴條安裝技術(shù)可提高30%。100μm條寬單管輸出功率達(dá)到24.6W，大功率連續(xù)工作壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)。高效能大功率的半導(dǎo)體激光器也迅速發(fā)展為全固化激光器，從而使得LDP固體激光器獲得了全新的發(fā)展機(jī)遇和前景。

三、半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)規(guī)模

半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性高、能耗低、電光轉(zhuǎn)換效率高、易于大規(guī)模生產(chǎn)以及價(jià)格較低廉等優(yōu)點(diǎn)，在CD激光唱片機(jī)、光纖通信、光存儲(chǔ)器、激光打印機(jī)等獲得廣泛應(yīng)用，范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和突破，半導(dǎo)體激光器正向發(fā)射波長(zhǎng)更短、發(fā)射功率更大、超小型、長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展，以滿足各種應(yīng)用的需要，產(chǎn)品種類日益豐富。在激光加工、3D打印、激光雷達(dá)、激光測(cè)距、軍事、醫(yī)療和生命科學(xué)等方面也得到了大量應(yīng)用。另外，通過(guò)耦合進(jìn)光纖進(jìn)行傳輸，大功率直接半導(dǎo)體激光器在切割和焊接領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

目前，全球半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)規(guī)模較大，從2012年的35.4億美元增加值至2017年的53.1億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為8.4%。

審核編輯 黃昊宇