什么是半导体激光器？它们是如何使用的？

半导体激光器是通过半导体中载流子对的辐射复合而产生的。与传统激光系统相比，它们效率更高、成本效益更高、所需功率更少，使其成为制造业、医药和能源行业的热门选择。

半导体激光器基于半导体增益介质，在导带内载流子浓度较高的条件下，由于带间电子跃迁过程中光子的受激发射而产生半导体激光器。

图1图片来源：PeterSoblev/Shutterstock.com

大多数半导体激光器都有具有p掺杂和n掺杂半导体接触的电泵浦激光二极管、通过光吸收产生载流子的光泵浦半导体激光器、以及利用带内跃迁的量子级联激光器。

大多数半导体激光器的主要成分是元素周期表中第三和第五族的元素，如镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、磷(P)和砷(As)。

半导体激光器的工作原理。

半导体激光器是一种半导体二极管，其有源介质是正向偏置的PN结二极管。当具有过剩空穴的p型半导体接近具有过剩电子的n型半导体时，在界面处形成PN结。当施加正向偏置电压时，分别来自n区和p区的电子和空穴被推入结。这些空穴和电子相互吸引，当它们碰撞时，它们会发出复合辐射。发射的辐射能量等于材料的能带隙，这是导带和价带之间的能量差。

为什么要用半导体激光器？

半导体激光器以其光斑小、单色性、高光密度、直线度和相干性等特点被广泛应用。此外，半导体激光器使用低电压和恒流模式，因此电源故障率低，运行安全，维护成本最低。

半导体激光器的工业应用。

半导体激光器是光纤通信系统中唯一有效的光源。随着光纤通信的兴起，它们已成为现代通信技术的重点。高功率激光二极管的最新进展也使其适用于材料加工应用。此外，它们发射不同波长的能力使它们具有用于高端科学应用(如光谱学)的多功能性。

对肿瘤具有很强亲和力的光敏化学物质优先聚集在恶性肿瘤组织中，并通过在肿瘤组织中产生活性氧而不损害健康组织来用半导体激光进行治疗。

另一个应用是光学镊子，它允许操纵活细胞和染色体，使它们对细胞合成刺激、细胞相互作用研究和法医诊断有用。

半导体激光器的局限性。

电子设备中的半导体很容易受到静电放电的影响，因此如果电源不稳定和波动，激光可能会造成损害。此外，半导体激光器会逐渐老化；它们变得不那么有效，消耗的功率更多。用于光束校正的激光透镜也会增加其脆弱性，透镜的任何损坏都将使激光无法手术。

最新研究与发展

大功率单模半导体激光器。

由于伯克利分校的工程师开发了一种新型半导体激光器，现在可以在保持单模光的同时保持增加功率和尺寸的能力。在发表在《自然》杂志上的这项研究中，研究人员证明，使用具有线性色散的开放狄拉克电磁腔可以产生单模激光，即使腔的尺寸增加也可以保持这种激光。这项研究表明，激光可以在不牺牲相干性的情况下，为各种应用提供更强大的功率和更长的射程。

高功率分布反馈布拉格半导体激光器。

在《应用科学》杂志上发表的一项研究中，研究人员提出了一种新型的1550nm分布式反馈布拉格半导体激光器，与传统的1550nm波段可调分布式反馈布拉格激光器相比，该激光器可以使用更简单、更便宜的工艺制造。

这种新型激光器不需要高精度光刻或二次外延生长方法，可以使用I-line光刻来生产，这提高了产量并创造了稳定的工作条件。这使其成为激光测距、激光雷达和空间激光通信应用中更具成本效益、更高产量和更高效的激光解决方案。

室温下深紫外半导体激光器的连续激光。

名古屋大学的一个研究小组在半导体激光器方面取得了突破。该团队首次在室温下利用深紫外光半导体激光器成功地进行了连续波激光。这是通过减少晶体缺陷实现的，这些缺陷以前阻碍了激光器中的有效电流流动。通过定制激光条纹的侧壁，研究人员可以抑制缺陷，从而实现高效的电流流动和较低的工作功率。这项研究是朝着各种波长范围的半导体激光器的发展和实际应用迈出的重要一步。

半导体激光器的未来展望。

高功率半导体激光器的进步使科技行业发生了革命性的变化。由于降低了成本和提高了效率，这些激光器已经取代了旧技术，并为新产品铺平了道路。半导体激光器的应用领域正在扩大，这一趋势将在追求成本效益、更高功率和更短脉冲激光方面继续下去。