一、激光原理介紹

激光具有單色性好、方向性好、亮度高等優(yōu)點，具有極高的應用價值。1917年愛因斯坦提出“受激發(fā)射”理論，為人類打開了激光技術的大門。

激光簡單理解就是一束光，這束光的亮度很亮，通過把光聚集在一起，可以形成很高的能量，產生這種能量的設備叫激光器，我們來看一張激光器的結構圖：

圖片看上去很簡單，但圖片具體表達的是什么意思呢？

中間灰色的棒子叫YAG，中文名叫釔鋁石榴石（好繞口），其實看上去就是一根玻璃棒，在玻璃棒里放了一些釹元素，放了釹元素的玻璃棒看上去會變漂亮，玻璃棒變成了粉色。

為什么要放釹呢？

釹這種元素很不穩(wěn)重，一旦受到刺激就發(fā)光。

而我們需要激光，那么就要不停的刺激釹，釹就不停的發(fā)光，釹這種元素發(fā)出的光波長很穩(wěn)定，是1064nm！好了，這個波長超出了人眼能識別的范圍，我們看不見。

刺激釹元素的燈，叫泵浦燈，這個燈類似于日常用的日光燈，燈經(jīng)常閃來閃去是會壞的，過個幾年等變得不亮了就要更換。

激光棒激發(fā)出來的光要收集利用起來，就要用兩個光學鏡片堵在激光棒的兩邊，像兩個閘門一樣，讓光按照一定方向出來。

這個圖就是把3個激光器給串在一起，把激光能量一步一步加大，然后沿著紅色和黑色的路線傳輸。

因為激光的傳輸是采用光纖傳輸?shù)�，這種激光器也叫光纖傳導激光器。

激光器的外觀是這樣的，要是在激光發(fā)射的過程中盯著激光器看，激光器里的電燈一閃一閃，會亮瞎大家的雙眼，所以在使用激光器的過程中，要戴好防護眼鏡。

剛才講了一款激光器，科學家們又根據(jù)產生激光的不同物質，把激光器分成了氣體激光器、固體激光器、半導體激光器。

來張圖：

簡單的理解就是，產生激光的物質是氣體，就要氣體激光器，產生激光的物質是固體，就叫固體激光器…

如果用專業(yè)的詞匯來介紹激光產生，位于激光諧振腔的增益介質受到泵浦光激勵將增益介質內電子激發(fā)到更高的能級，然后釋放光子回到低能級。下圖表示了能級之間的光子-載流子變化。高能級電子自發(fā)釋放能量躍遷到低能級，被稱為自發(fā)輻射(光子發(fā)射)；低能級電子受到外部激勵，躍遷到高能級，被稱為受激吸收(光子吸收)；高能級的電子受到外界光子泵浦，釋放出同頻光子，躍遷到低能級，被稱為受激發(fā)射(相干光發(fā)射)；處于高能級的電子躍遷到低能級，產生的能量不以電磁輻射的形式釋放，被稱為非輻射躍遷。

受到泵浦光激勵的增益介質放出大量光子，諧振腔的兩端的腔鏡可以對腔內光束模式進行選擇。部分光子在高反射率的激光諧振腔內多次反射不泄露，這部分光子經(jīng)過增益介質的受激輻射放大過程，會形成高度簡并度的光子束，從而形成激光。在增益芯片處于熱平衡狀態(tài)時，有源區(qū)內分子在能級上的分布遵從玻爾茲曼分布，低能級分布的粒子數(shù)遠大于高能態(tài)分布的粒子數(shù)，此時受激吸收的概率大于受激輻射概率，無法實現(xiàn)激光的有效輸出。當泵浦光持續(xù)泵浦增益介質，分布在高能級的粒子數(shù)越來越多，最終實現(xiàn)高能級分布粒子數(shù)大于低能級的粒子數(shù)，被稱為粒子數(shù)反轉，這個過程就是光放大。

二、半導體激光器的發(fā)明

剛才講了把激光器按不同結構可分成了氣體激光器、固體激光器、半導體激光器。

這一章介紹的重點是半導體激光器的原理。

早在20世紀50年代，莫斯科列別捷夫物理研究所的Basov教授就已經(jīng)提出半導體激光器的設想，后續(xù)逐步研制出各種類型的半導體激光器。

1977年由日本東京工業(yè)大學Iga教授提出垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)，經(jīng)過四十余年的發(fā)展，VCSEL已經(jīng)廣泛應用于光通信、原子鐘、激光雷達等諸多領域。VCSEL 結構引入可調諧外部諧振腔結構被稱為垂直外腔面發(fā)射激光器(Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser,VECSEL)，VECSEL可以在外腔中插入調制器件對輸出激光進行調制。

按照出光方向的差別，可以將半導體激光器分為兩類：垂直腔面發(fā)射半導體激光器（VCSEL）和邊緣發(fā)射半導體激光器(Edge Emitting Laser, EEL)。

三、垂直腔面發(fā)射半導體激光器（VCSEL）介紹

垂直外腔面發(fā)射激光器是上世紀90 年代中期發(fā)展起來的，它的出現(xiàn)是為了克服困擾傳統(tǒng)半導體激光器發(fā)展的一個關鍵問題：如何產生具有基橫模高光束質量的高功率激光輸出。

垂直外腔面發(fā)射激光器(VECSEL)，也被稱為半導體碟片激光器(SDL)，是一種相對較新的激光器家族成員。它可以通過改變半導體增益介質中量子阱的材料組分和厚度來設計發(fā)射波長，結合腔內倍頻可以覆蓋從紫外到遠紅外的廣泛波長范圍，在實現(xiàn)高功率輸出的同時保持低發(fā)散角圓形對稱激光光束。激光諧振腔由增益芯片底層DBR 結構和外部輸出耦合鏡構成。這種獨特的外部諧振腔結構可以在腔內插入光學元件實現(xiàn)倍頻、差頻、鎖模等操作，使VECSEL 成為從生物光子學、光譜學、激光醫(yī)療到激光投影等各種應用的理想激光源。

垂直腔面發(fā)射半導體激光器的諧振腔垂直于有源區(qū)所在平面，其輸出光與有源區(qū)平面垂直，如圖所示。

VCSEL 具有獨特的優(yōu)勢，例如體積小、頻率高、光束質量較好、腔面損傷閾值大、生產工藝相對簡單等。其在激光顯示、光通信和光時鐘等方面的應用中，展示出十分優(yōu)異的性能。但是VCSEL 無法獲得瓦級以上的大功率激光，因此不能應用于對功率有較高要求的領域中。

VCSEL 的激光諧振腔由有源區(qū)上下兩側的半導體材料多層外延結構組成的分布式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR)構成，與EEL 采用解理面構成的激光諧振腔有很大區(qū)別。VCSEL 光學諧振腔方向垂直于芯片表面，激光輸出也垂直于芯片表面，兩側DBR的反射率也都比EEL解理面要高很多。

VCSEL 的激光諧振腔的長度一般為幾微米，遠小于EEL的mm量級的諧振腔，腔內光場振蕩獲得的單程增益較低，雖然可以實現(xiàn)基橫模輸出，但是輸出功率只能達到數(shù)毫瓦。VCSEL 輸出激光光束的截面輪廓為圓形，而且發(fā)散角比邊發(fā)射型激光器光束發(fā)散角小很多。VCSEL實現(xiàn)高功率輸出需要增大發(fā)光區(qū)域提供更多的增益，而發(fā)光區(qū)域增大會導致輸出激光變成多模輸出，同時較大的發(fā)光區(qū)域內很難實現(xiàn)均勻的電流注入，電流注入不均勻會加劇廢熱積累。

總之，垂直腔面發(fā)射類型的半導體激光器(VCSEL)通過合理的結構設計可以輸出基模圓形對稱光斑，但是在單模輸出時輸出功率較低。

因此，常有將多個VCSEL集成后輸出方式。

四、邊緣發(fā)射半導體激光器(Edge Emitting Laser, EEL)介紹

想要獲得大功率的半導體激光輸出，現(xiàn)階段的技術是采用邊緣發(fā)射的結構方式。邊緣發(fā)射半導體激光器的諧振腔由半導體晶體天然的解離面構成，其輸出光束是從激光器的前端面發(fā)射的。

邊發(fā)射類型的半導體激光器(Edge Emitting Laser, EEL)可以實現(xiàn)大功率輸出，但是其輸出光斑呈橢圓形，光束質量差，需要搭配光束整形系統(tǒng)修飾光束形貌。

下圖為邊發(fā)射型半導體激光器的結構示意圖。EEL的光學腔是以兩個端面作為反射鏡，光學腔平行于半導體芯片表面，在半導體芯片的邊緣發(fā)射激光，可以實現(xiàn)高功率、高速率和低噪聲的激光輸出。但是EEL 輸出的激光光束一般有著不對稱的光束橫截面和較大的角發(fā)散，與光纖或其他光學元件的耦合效率低。

EEL 的輸出功率的提升會受到有源區(qū)廢熱積累和半導體表面光學損傷的限制。通過增大波導面積降低有源區(qū)廢熱積累來改善散熱，增加出光面積降低光束光功率密度來避免光學損傷，在單橫模波導結構中可以實現(xiàn)高達幾百毫瓦的輸出功率。

對于100mm 量級的波導，單條邊發(fā)射激光器可以實現(xiàn)幾十瓦的輸出功率，但是此時波導在芯片的平面上是高度多模的，輸出光束的長寬比也達到100：1，需要外加復雜的光束整形系統(tǒng)。

在材料技術和外延生長技術等沒有新突破的前提下，提高單條半導體激光芯片輸出功率的主要途徑是增加芯片發(fā)光區(qū)域的條寬。然而過高地增加條寬容易產生橫向的高次模振蕩和絲狀振蕩，將大大降低出光的均勻性，且輸出功率并不隨條寬成比例增加，因此單條芯片的輸出功率是極其有限的。為了大幅提高輸出功率，陣列技術應運而生。該技術通過將多個激光單元集成在同一片襯底上，使各個發(fā)光單元在慢軸方向上排列為一維陣列，只要采用光隔離技術將陣列中的各個發(fā)光單元隔開，使其互不干擾，形成多孔徑激射，即可通過增加集成發(fā)光單元的數(shù)量來提高整個芯片的輸出功率。此種半導體激光芯片即為半導體激光陣列（LDA）芯片，也稱為半導體激光bar條。

五、結論

總之，面發(fā)射型半導體激光器具有良好的基模圓形對稱激光輸出，但是輸出功率較低，而邊緣發(fā)射型半導體激光器可以發(fā)射高功率輸出，但是激光光束為橢圓形。對于高功率操作，兩種類型的半導體激光器都會出現(xiàn)多模輸出光束，傳統(tǒng)的邊緣型或面發(fā)射型半導體激光器不能同時實現(xiàn)高功率輸出和良好的光束質量。

參考文獻：

(1)張卓 高功率垂直外腔面發(fā)射半導體激光器的光束與波長調控研究[D].

(2)茍于單 808nm、1064nm激...轉換芯片材料生長及器件研究[D].

(3)賈冠男 大功率半導體激光陣列芯片封裝關鍵技術研究[D].

轉自：半導體全解

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