雷射的發(fā)展歷史

LASER是“l(fā)ight amplification by stimulated emission of radiation”的縮寫，臺灣音譯為雷射，中國大陸意譯為激光，意指光在受激發(fā)放大情況下所產生的同調光源。在1964年諾貝爾物理獎頒發(fā)給公認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專利已經陸續(xù)被實際制作出來，包括1960年在休斯實驗室 （Hughes Research Laboratories）任職的梅曼（Theodore Maiman）［1］利用閃光燈脈沖光源激發(fā)紅寶石晶體產生有史以來第一道人造的同調光源，發(fā)光波長為694.3nm，同一年任職于美國電話電報公司（AT&T）貝爾實驗室（Bell Lab.）的AliJavan，William Bennett和Donald Herriott成功制作了第一臺利用氦氣和氖氣作為增益介質的氣體雷射（HeNe laser）［2］，這也是第一個連續(xù)波（continuous wave, CW） 操作的雷射光源，發(fā)光波長為1153nm［3］，半年后另一團隊所制作的氦氖雷射發(fā)光波長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提出利用半導體材料制作雷射二極體的構想，但是稍早在1956年的時候日本東北大學的西澤潤一教授已經提出雷射二極體的專利申請，甚至比1958年Gordon Gould提出LASER名詞縮寫的時間都還要更早。在1962年Robert N.Hall首次利用砷化鎵（GaAs）材料同質接面（homojunction）結構制作出第一個雷射二極體［5］，發(fā)光波長為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.） 時率先采用磷砷化鎵（GaAsP）制作出第一個可見光波段的紅光半導體雷射二極體［6］并發(fā)明了第一個紅光發(fā)光二極體 （light emitting diodes, LED），在1962年底前GE已經開始販售Robert 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260美元，砷化鎵紅外光雷射二極體售價1300美元，磷砷化鎵紅光雷射二極體售價2600美元，同時期德州儀器公司（Texas Instruments, TI） 販售的砷化鎵紅外光發(fā)光二極體售價為130美元。

在1969年時任職于貝爾實驗室的林嚴雄（Izuo Hayashi）和Morton Panish利用P型砷化鋁鎵一砷化鎵單異質接面結構（p-AlGaAS/p-GaAs heterostructure）首次制作出可以在室溫下連續(xù)波操作的半導體雷射二極體 ，任職于美國無線電公司RCA的HenryKressel也采用類似結構［10］，同時期Zhores I.Alferov和Herbert Kroemer分別在俄國和美國發(fā)展出具有雙異質接面結構（double heterostructure, DHS）的半導體雷射［11］與高速雙載子電晶體（heterojunction bipolar transistor, HBT）制作技術，采用該方法作為半導體雷射主動層增益介質可以有效提升注入載子局限（carrier confinement）能力，顯著降低達到雷射輸出所需的閾值電流（threshold current）值，該技術迅速提升半導體雷射操作特性，使得雷射技術更為實用，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。

時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，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、化學雷射、準分子雷射、光子晶體雷射、光纖雷射甚至不需要增益介質直接借由調控電子運動發(fā)出同調的電磁波的自由電子雷射，但是其中應用范圍最廣泛的仍然非半導體雷射二極體莫屬。

半導體雷射已經成為現代資訊社會中最重要的光源之一，也是引領人們進入網路資訊數位時代不可或缺的原動力。目前半導體雷射在電子資訊領域最重要的應用可大致區(qū)分為光資訊與光通訊兩大主軸；而依照元件結構的主要差異，半導體雷射又可區(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與傳統邊射型雷射結構相較之下具有許多先天上的優(yōu)點，因此在光資訊與光通訊的應用上具有顯著的優(yōu)勢。