自从1962年发现半导体激光器以来，这项技术已经成为各个领域进步的组成部分,半导体激光器广泛应用于光通信、生物医学、集成光学和材料科学等领域,但它们是如何工作的呢？了解它们的结构、关键属性和工作原理对于探索它们的应用和性能至关重要。自从1962年发现半导体激光器以来，这项技术已经成为各个领域进步的组成部分半导体激光器广泛应用于光通信、生物医学、集成光学和材料科学等领域但它们是如何工作的呢？了解它们的结构、关键属性和工作原理对于探索它们的应用和性能至关重

半导体材料的电特性

半导体具有寿命长、体积小、功耗低以及与现代技术兼容等优点，因此被广泛应用。3 它们的电特性可以调整，以增强或限制电子流，因此在电子和激光应用中至关重要。它们的导电性介于金属和绝缘体之间，可以控制电气行为。

导电性由自由电子的运动决定。电子占据不同的能级，结合最不紧密的电子位于价带。在价带之上是导带，电子必须在此过渡才能导电。这些能带之间的能差（称为带隙）决定了材料的导电性。

与绝缘体相比，半导体的带隙更窄，因此可以控制电子的移动。这一特性是半导体在现代电子和光电设备（包括半导体激光器）中应用的关键。

N 结及其在半导体激光器中的作用

N 型半导体掺杂

掺杂是半导体技术中的一个基本过程，对于形成 P-N 结至关重要。例如，硅这种半导体材料在纯态时有四个价电子。当掺入像磷这样有五个价电子的元素时，其中四个价电子与硅原子形成键合，剩下一个自由电子。这个自由电子在室温下很容易移动，给材料带来负电荷，形成 n 型半导体。

P 型半导体

同样，在半导体中掺入价电子数较少的元素，如硼（有三个价电子），会导致电子不足或空穴。由于可用于形成键的电子减少，邻近硅原子的电子就会移动以填补这些空穴，从而有效地形成正电荷流。这一过程形成了 p 型半导体，其中空穴充当电荷载体。

P-N 结的形成和内置电场

当 p 型半导体（如掺硼硅）与 n 型半导体（如掺磷硅）接触时，就会形成 p-n 结。n 型区域的自由电子扩散到 p 型区域，在那里与空穴重新结合。这种运动在 n 型材料的交界处附近形成一个带正电的区域，在 p 型材料中形成一个带负电的区域。

随着电荷载流子的不断扩散，交界处会形成一个内置电场，阻止电子和空穴的进一步移动。这就形成了耗尽区，不动的正离子和负离子在此聚集。一旦达到平衡，耗尽区的净电子流就会变为零。

耗尽区和正向偏压

耗尽区和内置电场可通过外部电压进行控制。在正向偏压中，电池的正极连接到 p 型材料，负极连接到 n 型材料，外加电场与内置电场相反。这就减小了耗尽区的厚度，降低了电阻，使电流得以流动。

当电子获得足够的能量从价带过渡到导带时，就会产生移动电荷载流子，从而促进电子和空穴的移动。这一过程是现代半导体器件（包括半导体激光器）的关键。

重组与光子发射

电子和空穴的重组是半导体和发光二极管（LED）的基本过程。当施加外部电场时，导带中的电子和价带中的空穴会相互移动。当发生重组时，这些带间的能量差以光子的形式释放出来，其能量等于材料的带隙。

描述这一过程的另一种方法是，电子从导带跃迁到价带中的空穴时会损失能量。损失的能量以光子的形式发射出来，其波长由带隙决定。

光放大 受激发射

人们对半导体二极管进行了广泛研究，并集成了量子阱结构等先进材料来提高光增益。半导体材料的增益与自发辐射之间的关系是性能评估的关键因素。

LED 依靠自发辐射工作，而激光二极管则依靠受激发射来放大光线。在半导体中，电子可以吸收能量，并从价带等低能态过渡到导带中的高能态。然后，电子失去能量并返回较低的状态，在此过程中会发射出一个光子。这种发射可能是自发发生的，也可能是受到输入的能量相匹配的光子的刺激。

激光二极管中的受激发射

在激光二极管中，当特定能量的入射光子与受激电子相互作用时会产生受激发射，使电子转变到较低的能量状态，同时释放出第二个光子。发射的光子与原始光子同相，即两者具有相同的能量、方向和波长。这一过程使增益介质能够放大光，这是激光工作的基本原理。

种群反转和光增益

与受激发射相反，自发辐射会导致光子随机发射。要实现光放大，必须达到一种称为 “种群反转 ”的条件，即 50% 以上的原子处于激发能态9 。

光腔及其在光放大中的作用

种群反转激光二极管中的受激发射实现了光放大，这是高功率激光器中的一个基本过程。当一个电子从高能态衰减到低能态时，它会发射出一个同相光子。这个光子随后会刺激其他受激电子发生同样的转变，从而发射出更多的同相光子。这种级联效应加速了受激发射过程，增加了发射光的强度。

将这一系统封装在由二极管两端的反射镜形成的光腔中，可以增强放大过程。反射镜来回反射同相光子，加强受激发射，进一步增加光子的产生。这种重复反射可维持持续的光放大，这是产生高能激光束的关键机制。

激光器中的相干光发射

如果光腔的一面镜子略微透明，光子就可以逸出，形成激光束。同相光子的连续反射和放大会增加光束的强度。这就形成了相干的单色激光束，所有光子的能量相同，等于材料的带隙。与非相干、非单色白光相比，激光束的能量密度要高得多。

要实现持续的光放大，发射率必须超过吸收率，这是通过种群反转实现的条件。保持这种状态可确保较高的受激发射率，这对产生相干激光输出至关重要。为了保持足够的受激电子浓度，增益介质需要通过光泵浦等技术持续获得能量。

半导体激光器的关键性能参数

影响半导体激光器性能的因素很多。其中一个关键参数是阈值电流，即实现种群反转并启动自发辐射，最终产生相干单色激光束所需的最小电流。

温度会严重影响半导体激光器的性能。对阈值电流为 11.15 mA 的激光二极管（LD）芯片进行的实验研究表明，随着温度的升高，阈值电流也随之升高，而光输出功率却降低了。在 0-30°C 的温度范围内，斜率效率从 189 mW 下降到 188 mW，阈值电流上升到 11.8 mA。这些变化源于激光带隙有源区内与温度相关的损耗机制，同时影响阈值电流和光功率。

正在进行的研究不断提高半导体激光器的性能。利用奇偶校验-时间（PT）对称性进行模式控制的方法已经得到证实，并在迅速发展。12 未来的高功率激光器有望在量子计算和固态光谱分析中发挥关键作用。