高效稳定的半导体激光器——1.2.4

半导体激光是基于GaAs、GaAlAs或InGaAs这样的半导体，其他的运作方式就像以前描述的那样（1.1.2节），电子能量状态会因电子在导带与价带之间传递而发生改变。当能量发生变化时会释放出光子，能量会随温度的变化而发生改变，每摄氏温度接近于1nm波长的能量，因此要注意冷却问题。在室温下，纯GaAs具有1.35 eV的带隙能量，相应的波长为905nm。这个过程能够被激发，因此它们能起激光器的作用，或只是一个简单的发光二极管LED，半导体激光的基本结构如图1.21所示^[8]，静电干扰会造成电流冲击，使激光器容易损坏。半导体激光的寿命为10～20000h，白炽灯寿命的100倍。半导体激光的寿命取决于热扩散率，因此它的寿命是热过程的函数。已经说过，由于半导体激光体积小、效率高，大量生产可能使价格下降，它是将来最有前途的激光。

图1.21 水平腔半导体激光的阵列结构图

采用GaAlAs作为激活物质，前后面形成侧向散热的谐振腔，外罩层中Al浓度较高。(www.xing528.com)

发展最好的激光半导体材料是GaAs和GaAlAs，它们发射出750～870nm的激光。InGaAs发射出900～1000nm的激光，它们产生了一个宽频率范围的激光，因此需要再安装一个光栅对其进行调谐，并作为其中的一个腔镜，同样情况下，这种功率的激光器也可以倍频。对于低功率单元，总的功率转换效率不高，商业应用的阵列最多可以达到30%的功率转换效率。激光的功率随着活性介质体积的增加而增加，一个几微米宽的长条状活性介质就可以产生大约100mW的连续激光，50μm宽的长条可以产生的功率为0.5W，500μm宽的长条可以产生的功率为4W。如果采用线型或堆叠阵列产生的功率可以进一步提高。1cm宽的线型阵列可以产生20W的连续激光，或者在准连续输出的情况下可以产生100W的峰值功率。堆叠的这种阵列激光器可以产生几千瓦的功率输出，但遗憾的是这种激光的发散角为30°～40°，使人感到这种光像是由火炬发出来的，而不是由激光发射出来的，因此这种高效的光发生器有可能被开发成通用的照明光源。通过采用MOPA（主控振荡器的功率放大器）方法，我们期望这种激光器能够得到一些改善，主控振荡器产生一个单独的纵向模式光束，这个光束在一个广域功率放大器中被放大，整个结构像集成电路一样相当紧凑。由于输出就是输入的放大，因此能够相当容易地被聚焦。其他方法是把多路光束传输进一个光纤传输系统。

当前应用的半导体激光主要以低功率系统为主，功率为几毫瓦的激光可以应用于CD机、DVD机、光存储系统、激光打印机，以及语音、数字和有线电视的短程光链路，还可以用于演讲者的指示器中。在2001年，材料加工用的半导体激光仅仅占整个半导体激光市场份额的0.3%，当前半导体激光主要应用于泵浦激光器（见1.2.3节），但是它们也正在被考虑应用于焊接、切割、退火、钎焊、打孔、陶瓷封装、平版印刷、探伤等工艺中，以及在塑料、金属和玻璃上作标记，快速成型、浮雕全息图和光栅加工，这是一个相当完整的计划，可见半导体激光已经建立起属于自己的应用环境。半导体激光在医疗领域有一个巨大的市场（见1.4.13节），然而半导体激光最大的市场很可能是在照明领域，它可以取代白炽灯作为照明工具。当用于照明领域时，它具有节能、寿命长（半导体激光的寿命为10～20000h，白炽灯为1000h）和亮度高的优点。半导体激光可以作为交通灯，它有显著的节能效果，这正是大家所关心的。在LiAlO₂和LiGaO₂基础上发展起来的GaN二极管可以产生蓝光，而基于低强度照明的奇特建筑结构设计可能是半导体激光一个巨大的市场。