半导体激光器的优化与发展

用半导体材料也能制成激光器。目前已实现激光输出的半导体材料有砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）、硫化镉（CdS）、碲化镉（CdTe）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）、铅镓砷、铟磷砷、磷化铟等。激励方式有P—N结注入式、电子束激发和别的激光器光泵的等多种。研究得比较成熟且应用比较广的一种半导体激光器是砷化镓激光器。下面以砷化镓为例，简单介绍半导体激光器的原理及特性。

半导体激光器产生的原理在原则上跟固体及气体激光器一样的，但由于物质结构不同，产生激光的具体过程也有其特殊之处。

在固体和气体激光材料中，产生激光作用的粒子的能级是分立的。但是，在半导体材料中，激光工作能级是带状的，叫作能带。高能级带叫作导带，低能级带叫作价带，中间的能量间隔叫作禁带。当半导体被激励时，价带中的电子激发跃迁到导带，价带中就留下一个空位称为空穴。当空穴被电子填补时，它的移动方向和电子相反，可以看成带正电的粒子。

被激发到导带的电子由于热运动在导带中按费米—狄拉克统计规律分布在导带底以上的一个区域。费米—狄拉克分布函数是

式中：Ec是导带底能级，EFC是导带电子的费米能级，它表示电子占据概率为1／2时的能级位置，即

于是有

同样道理，在价带中有一空穴费米能级EFV。在EFV以上到价带的顶能级EV区域内，空穴的占据概率大于，即电子的占据概率小于。半导体激光器的粒子数反转分布，就在EFV到EFC这一区域内形成。

下面介绍半导体激光器产生激光的条件。半导体激光器的激光工作区是P型半导体和N型半导体结合形成的P－N结构区。P型半导体空穴多，能接受电子；N型半导体电子多，能给出电子。在P－N结构区，两种类型半导体的概率分布函数分别表示如下。在P型的带价内E V能态被电子占据的概率是

在N区导带内EC能态被电子占据的概率是(www.xing528.com)

假定受激发射系数BCV为单位时间从导带内的能态到价带内的能态的跃迁概率，受激吸收系数BVC为单位时间从价带内的能态到导带内的能态的跃迁概率，P（v）为单位体积内能量等于hv的发射光子的密度。则在导带和价带之间跃迁产生光子的速率是

同样，吸收概率是

式中：A是与导带和价带内能态密度有关的常数，FC（1－FV）表示导带内的能态被占据、价带内的能态空着的复合概率，这样才有可能跃迁。

激光发射的条件是，光子发射速率大于吸收速率

即导带费米能级和价带费米能级之差大于光子能量时，在P－N结内才能形成粒子数反转，产生受激发射。

要使半导体产生激光，必须具备三个基本条件：①将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带上去。②有足够的粒子数反转使增益等于或大于损耗。③有产生共振受激放大的谐振腔。

从前面的分析可以看出，激光半导体材料具备产生粒子数反转的条件。在P－N结上加上电压，正极接P型区，负极接N型区。电场的方向是从P型区指向N型区。在电场的作用下，使N型区的电子和P型区的空穴在P－N结区积累起来。因为激光半导体的掺杂比较多，所以在P型区的空穴和N型区的电子也比较多。大部分光子产生后即穿出P－N结，但也有一小部分光子几乎严格地在P－N结平面内穿行。它们能够去激发产生更多的同样光子。为使受激发射进一步加强产生振荡，并从激光器发射出来，必须把P－N结的两个端面做成非常平行的两个反射镜面。这两个反射镜面垂直于P－N结的平面及它的长度方向，构成一个谐振腔。这两个反射镜面可以用人工或机械方法磨平抛光，但不能达到理想要求且费时费力。现在一般利用单晶体的天然晶面组成谐振腔。P－N结区内的光辐射在谐振腔的作用下不断放大，最后增益超过损耗，形成激光输出。

半导体激光器的特性：半导体激光器的方向性比其他激光器差，发散角在20°～30°；其光谱线比较宽，单色性比较差，但其效率高，体积小，重量轻，结构简单，寿命长，故在军事上（测距、瞄准等）、在工业技术上（计算机的逻辑元件、光纤通信等）都有广泛的应用。