雷射的發(fā)展歷史

LASER是“l(fā)ight amplification by stimulated emission of radiation”的縮寫，臺(tái)灣音譯為雷射，中國(guó)大陸意譯為激光，意指光在受激發(fā)放大情況下所產(chǎn)生的同調(diào)光源。在1964年諾貝爾物理獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給公認(rèn)雷射理論奠基者包含Charles Townes, Nikolay Basov 與Alexander Prokhorov三人之前，不同種類的雷射以及相關(guān)專利已經(jīng)陸續(xù)被實(shí)際制作出來，包括1960年在休斯實(shí)驗(yàn)室 （Hughes Research Laboratories）任職的梅曼（Theodore Maiman）［1］利用閃光燈脈沖光源激發(fā)紅寶石晶體產(chǎn)生有史以來第一道人造的同調(diào)光源，發(fā)光波長(zhǎng)為694.3nm，同一年任職于美國(guó)電話電報(bào)公司（AT&T）貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab.）的AliJavan，William Bennett和Donald Herriott成功制作了第一臺(tái)利用氦氣和氖氣作為增益介質(zhì)的氣體雷射（HeNe laser）［2］，這也是第一個(gè)連續(xù)波（continuous wave, CW） 操作的雷射光源，發(fā)光波長(zhǎng)為1153nm［3］，半年后另一團(tuán)隊(duì)所制作的氦氖雷射發(fā)光波長(zhǎng)632.8nm成為稍后較為普遍被采用的紅光雷射光源［4］。

Ali Javan與Nikolay Basov提出利用半導(dǎo)體材料制作雷射二極體的構(gòu)想，但是稍早在1956年的時(shí)候日本東北大學(xué)的西澤潤(rùn)一教授已經(jīng)提出雷射二極體的專利申請(qǐng)，甚至比1958年Gordon Gould提出LASER名詞縮寫的時(shí)間都還要更早。在1962年Robert N.Hall首次利用砷化鎵（GaAs）材料同質(zhì)接面（homojunction）結(jié)構(gòu)制作出第一個(gè)雷射二極體［5］，發(fā)光波長(zhǎng)為842nm，可以在77K液態(tài)氮溫度下脈沖操作（pulse operation），同年Nick Holonyak Jr.教授在任職于通用電氣公司（General Electric Co.） 時(shí)率先采用磷砷化鎵（GaAsP）制作出第一個(gè)可見光波段的紅光半導(dǎo)體雷射二極體［6］并發(fā)明了第一個(gè)紅光發(fā)光二極體 （light emitting diodes, LED），在1962年底前GE已經(jīng)開始販?zhǔn)跼obert N. Hall開發(fā)的砷化鎵雷射二極體和Nick Holonyak Jr.教授開發(fā)的磷砷化鎵雷射二極體與發(fā)光二極體，其中紅光LED一顆售價(jià)260美元，砷化鎵紅外光雷射二極體售價(jià)1300美元，磷砷化鎵紅光雷射二極體售價(jià)2600美元，同時(shí)期德州儀器公司（Texas Instruments, TI） 販?zhǔn)鄣纳榛壖t外光發(fā)光二極體售價(jià)為130美元。

在1969年時(shí)任職于貝爾實(shí)驗(yàn)室的林嚴(yán)雄（Izuo Hayashi）和Morton Panish利用P型砷化鋁鎵一砷化鎵單異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)（p-AlGaAS/p-GaAs heterostructure）首次制作出可以在室溫下連續(xù)波操作的半導(dǎo)體雷射二極體 ，任職于美國(guó)無線電公司RCA的HenryKressel也采用類似結(jié)構(gòu)［10］，同時(shí)期Zhores I.Alferov和Herbert Kroemer分別在俄國(guó)和美國(guó)發(fā)展出具有雙異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)（double heterostructure, DHS）的半導(dǎo)體雷射［11］與高速雙載子電晶體（heterojunction bipolar transistor, HBT）制作技術(shù)，采用該方法作為半導(dǎo)體雷射主動(dòng)層增益介質(zhì)可以有效提升注入載子局限（carrier confinement）能力，顯著降低達(dá)到雷射輸出所需的閾值電流（threshold current）值，該技術(shù)迅速提升半導(dǎo)體雷射操作特性，使得雷射技術(shù)更為實(shí)用，因此兩人連同積體電路發(fā)明人之一的Jack Kilby共同獲頒2000年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

時(shí)至今日有許多不同的材料可以用來作為雷射操作所需的增益介質(zhì)，包括各種固態(tài)晶體（例如最早發(fā)出雷射光的紅寶石雷射、摻釔鋁石榴石雷射Nd:YAG laser［12］）、氣體（例如氦氖雷射、二氧化碳雷射等）、染料雷射、化學(xué)雷射、準(zhǔn)分子雷射、光子晶體雷射、光纖雷射甚至不需要增益介質(zhì)直接借由調(diào)控電子運(yùn)動(dòng)發(fā)出同調(diào)的電磁波的自由電子雷射，但是其中應(yīng)用范圍最廣泛的仍然非半導(dǎo)體雷射二極體莫屬。

半導(dǎo)體雷射已經(jīng)成為現(xiàn)代資訊社會(huì)中最重要的光源之一，也是引領(lǐng)人們進(jìn)入網(wǎng)路資訊數(shù)位時(shí)代不可或缺的原動(dòng)力。目前半導(dǎo)體雷射在電子資訊領(lǐng)域最重要的應(yīng)用可大致區(qū)分為光資訊與光通訊兩大主軸；而依照元件結(jié)構(gòu)的主要差異，半導(dǎo)體雷射又可區(qū)分為邊射型雷射（edge emitting laser, EEL）與垂直共振腔面射型雷射。其中較晚開始發(fā)展的面射型雷射技術(shù)與傳統(tǒng)邊射型雷射結(jié)構(gòu)相較之下具有許多先天上的優(yōu)點(diǎn)，因此在光資訊與光通訊的應(yīng)用上具有顯著的優(yōu)勢(shì)。