激光二極管英文：laser diodes
定義：以載流p-n結(jié)為增益介質(zhì)的半導(dǎo)體激光器。
激光二極管是電泵浦的半導(dǎo)體激光器，其中增益是由p-n結(jié)或p-i-n結(jié)構(gòu)中的電流產(chǎn)生的。在這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，電子和空穴會(huì)發(fā)生復(fù)合，釋放的能量為光子能量的倍數(shù)。這一過程可以是自發(fā)的，也可以由入射光子激發(fā)，結(jié)果會(huì)得到光學(xué)放大，如果在激光器諧振腔中采用光學(xué)反饋就可以實(shí)現(xiàn)激光器振蕩。在詞條半導(dǎo)體激光器中有更詳細(xì)的關(guān)于半導(dǎo)體中激光放大過程的描述。
二極管激光器是采用一個(gè)或多個(gè)激光二極管的激光器。
大部分半導(dǎo)體激光器都是基于激光二極管的基礎(chǔ)上的，但是也有一些光泵浦的半導(dǎo)體激光器，它們不需要二極管結(jié)構(gòu)，因此不屬于二極管激光器。
激光二極管通常為邊發(fā)射激光器，鍍膜的或者不鍍膜的半導(dǎo)體薄膜的端面可以形成激光器諧振腔。它們通常為雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，可以將產(chǎn)生的載流子限制在很窄的區(qū)域，同時(shí)也可以作為光場(chǎng)的波導(dǎo)（雙層限制）。電流也限制在同一個(gè)區(qū)域，有時(shí)需要采用隔離柵。這樣可以得到較低的閾值功率和高的效率。有源區(qū)通常很薄，可以看作是一個(gè)量子阱。有時(shí)會(huì)采用量子點(diǎn)。
目前的LDs通常是表面發(fā)射類型，即發(fā)射方向垂直于薄膜表面，增益是由多個(gè)量子阱提供的。
有很多不同類型的LDs，工作在不同的輸出功率、波長(zhǎng)、帶寬和其它性質(zhì)下：
1.小的邊發(fā)射LDs產(chǎn)生幾毫瓦到0.5個(gè)瓦特之間的光束，并且光束質(zhì)量很高。輸出光束可能發(fā)射到自由空間或者耦合到單模光纖中。這種激光器可以是折射率導(dǎo)引（利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使光在LD中傳播）或者增益導(dǎo)引（通過偏性放大使光束非常窄）。
2.類似于具有短的諧振腔的分布反饋激光器（DFB激光器）或者分布布拉格反射激光器（DBR激光器）的小的LDs可以實(shí)現(xiàn)單頻工作，有是的還具有波長(zhǎng)可調(diào)諧性。
3.外腔二極管激光器包含激光二極管作為長(zhǎng)的激光諧振腔的增益介質(zhì)，還具有其它的光學(xué)元件，例如激光反射鏡或者衍射光柵。它們也是波長(zhǎng)可調(diào)的，并且輻射帶寬很小。
4.大面積激光二極管（也稱為寬條形激光二極管，寬條形激光器或者高亮度激光二極管）的輸出功率有幾瓦特。其光束質(zhì)量比低功率LDs低很多，但是比二極管線陣高。錐形大面積激光器具有更好的光束質(zhì)量和亮度。
5.平板耦合光波導(dǎo)激光器（SCOWLs）在一個(gè)較大的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中包含一個(gè)多量子阱增益區(qū)域，可以產(chǎn)生具有衍射極限的瓦特量級(jí)的光束，形狀為圓形。
6.高功率二極管線陣包含一列大面積發(fā)射器，產(chǎn)生較低光束質(zhì)量的幾十瓦特的光束。除了其功率更高之外，它的亮度比大面積LD要低。
7.大功率堆積二極管線陣（參閱二極管堆）是多個(gè)二極管線陣堆積在一起的，可以產(chǎn)生幾百甚至幾千瓦特的超高功率。
8.表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VCSELs）通常產(chǎn)生幾毫瓦高光束質(zhì)量的光。還有外腔發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VECSELs）可以產(chǎn)生更高功率但是仍然具有很好光束質(zhì)量的光。
激光二極管可以將光束輻射到自由空間中，也有很多LDs存在光纖耦合的形式。后者在應(yīng)用中特別方便，例如，作為光纖激光器和光纖放大器的泵浦光源。
幾乎所有的電泵浦半導(dǎo)體激光器都是激光二極管，量子級(jí)聯(lián)激光器是一個(gè)例外。其它的半導(dǎo)體激光器是利用光學(xué)泵浦，因此不需要p-n結(jié)，它們可以由不摻雜的半導(dǎo)體材料得到。
激光二極管的輻射波長(zhǎng)主要由激光活性半導(dǎo)體材料的帶隙所決定：即光子能量接近于帶隙能量。由于存在非常多的半導(dǎo)體材料，因此該激光器可以覆蓋很大的光譜區(qū)域。尤其是存在很多三元或者四元半導(dǎo)體混合物，可以通過改變混合物組分在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體混合物的帶隙能量。例如，例如在AlxGa1−xAs中提高鋁的含量可以提高帶隙能量，因此輻射波長(zhǎng)變短。圖1給出了典型的材料系統(tǒng)的概括。
大多數(shù)激光二極管輻射的光在近紅外光譜區(qū)域，也有的輻射可見光（尤其是紅色或者藍(lán)色）或者中紅外光。
大多數(shù)LDs輻射光束的光譜帶寬在幾個(gè)納米。該帶寬來自于多個(gè)縱的（也可能是橫的）諧振腔模式（多模激光二極管）的同時(shí)振蕩。其它的LDs工作在單諧振腔模式上（參閱單頻工作），尤其是分布反饋激光器，因此輻射帶寬窄很多，一般線寬在MHz范圍。采用外腔和利用參考腔的窄帶光學(xué)反饋（參閱激光器穩(wěn)定）可以進(jìn)一步使線寬變窄。
多模LDs的輻射波長(zhǎng)（光譜的中心頻率）通常與溫度有關(guān)，溫度沒提高1 K，波長(zhǎng)通常提高約0.3 nm，由于峰值增益與波長(zhǎng)有關(guān)。（溫度會(huì)影響價(jià)帶和導(dǎo)帶的粒子數(shù)分布。）因此如果激光晶體的吸收帶寬很窄（例如，只有幾個(gè)納米），需要穩(wěn)定固態(tài)激光器中二極管泵浦的p-n結(jié)處的溫度。也可以通過改變p-n結(jié)處的溫度來調(diào)諧輻射波長(zhǎng)。
單模二極管輻射波長(zhǎng)的溫度系數(shù)低很多。如果應(yīng)用到掃描光譜學(xué)中時(shí)，波長(zhǎng)通常是工作在激光間隙進(jìn)行掃描的。在每個(gè)脈沖作用時(shí)溫度都會(huì)升高，引起光學(xué)頻率減小。外腔激光器的波長(zhǎng)可以通過旋轉(zhuǎn)激光腔中的衍射光柵來改變。
激光二極管具有很高的電光轉(zhuǎn)化效率，典型值為50%，有時(shí)甚至大于60%。（關(guān)于如何提高高功率LDs的效率使其大于70%的項(xiàng)目目前也在發(fā)展。）效率主要受一些因素的限制，例如電阻，載流子泄漏，散射，吸收（尤其是在摻雜區(qū)域）和自發(fā)輻射。當(dāng)激光二極管輻射波長(zhǎng)在940-980 nm波長(zhǎng)范圍時(shí)效率是最高的（可以用來泵浦摻鐿高功率光纖裝置），而808 nm的二極管效率則不是很高。
有些低功率LDs可以輻射相對(duì)較高光束質(zhì)量的光束（盡管其光束發(fā)散角比較大需要在準(zhǔn)直過程中仔細(xì)處理）。但是，大多數(shù)高功率LDs具有相對(duì)比較低的光束質(zhì)量，還有其他不是很理想的性質(zhì)，例如光束發(fā)散角大，光束半徑和兩個(gè)垂直方向光束質(zhì)量很高的不對(duì)稱性，還有像散現(xiàn)象。光束整形光學(xué)中找到合適的設(shè)計(jì)非常重要，尺寸要小，易于加工和排列，保持光束質(zhì)量并且避免產(chǎn)生干涉條紋，消除像散，具有較低損耗等。通常二極管激光光束整形光學(xué)涉及到準(zhǔn)直透鏡，孔徑和變形棱鏡。
由于激光二極管輻射的光是線偏振的，因此可以采用一個(gè)偏振分束器將兩二極管輸出光合在一起，這樣就可以得到具有兩倍于單個(gè)二極管功率、與單個(gè)二極管光束質(zhì)量相同的非偏振的光（偏振復(fù)用）。還可以采用二色性反射鏡將兩個(gè)波長(zhǎng)稍微不同的LDs的光束合在一起（參閱光譜合束）。光束合成更系統(tǒng)的方案可以將很多發(fā)射器發(fā)出的具有很好光束質(zhì)量的光合在一起。
常見的LDs的工作模式為連續(xù)光工作，但很多LDs也可以產(chǎn)生光學(xué)脈沖。大部分情況下，脈沖產(chǎn)生的原理是增益開關(guān)，即通過開光泵浦電流調(diào)制光學(xué)增益。小的二極管也可以是鎖模的，產(chǎn)生皮秒甚至飛秒脈沖。鎖模激光二極管可能是外腔裝置或者單片式的，后者通常包含工作在不同電流下的部分。
不同種類的二極管具有不同的噪聲特性。當(dāng)大于弛豫振蕩頻率時(shí)（通常幾個(gè)GHz），強(qiáng)度噪聲通常是接近于量子極限的。但是，有些工作在低溫下的低功率LDs甚至具有很顯著的振幅壓縮，即強(qiáng)度噪聲可以小于散粒噪聲極限。所有的半導(dǎo)體激光器中，強(qiáng)度噪聲都與相位噪聲相互關(guān)聯(lián)。
如上所述，線寬值是非常不同的。多模LDs具有很多與跳模有關(guān)的附加噪聲。不同模式的噪聲可以是非常反相關(guān)的，因此單個(gè)模式的強(qiáng)度噪聲比總功率的噪聲強(qiáng)很多。這會(huì)得到一個(gè)很重要的結(jié)果就是，如果二極管線陣在某一孔徑被截?cái)嗷蛘弑还庾V濾波，那么強(qiáng)度噪聲反而會(huì)增加。二極管驅(qū)動(dòng)器也會(huì)對(duì)激光器噪聲有貢獻(xiàn)，因此即使電流漲落非常快，它也會(huì)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)生光的強(qiáng)度和相位漲落。
當(dāng)工作條件比較適宜時(shí)，二極管激光器的壽命在上萬個(gè)小時(shí)。但是有很多其它的因素會(huì)使壽命縮短，例如工作在過高的溫度（例如，由于冷卻不充足），電流或電壓太高，例如來自于靜電放電或者不合理設(shè)計(jì)的激光驅(qū)動(dòng)器。
還有一些失敗的工作模式，包括光學(xué)災(zāi)變損傷（COD）（在幾毫秒或者更短時(shí)間內(nèi)器件完全損壞）和穩(wěn)步下降。除了工作條件之外，還有很多設(shè)計(jì)因素會(huì)影響壽命。例如，如果采用無鋁的有源區(qū)可以得到更好的穩(wěn)定性和壽命，在光學(xué)表面的特定涂層（或者一些附件的半導(dǎo)體涂層）也非常有用。有些改進(jìn)的二極管設(shè)計(jì)并沒有被公開，是由于制造者要保持技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。
為了提高器件壽命，LDs通常工作在較低的電流下（輸出功率也較低）。適當(dāng)降低功率由于具有較低的結(jié)電壓，可以提高電光轉(zhuǎn)換效率，然而過度降低則會(huì)降低效率。
激光二極管可以應(yīng)用到很多方面。下面給出一些重要的例子：
1.低功率的具有較高光束質(zhì)量的單模LDs可以用作在CD-ROMs,DVDs,藍(lán)光Discs和全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取。這些激光器可以工作在不同的光譜區(qū)域，從紅外光到藍(lán)光和紫光區(qū)域，波長(zhǎng)越短，存儲(chǔ)密度越大。
2.單模LDs在光纖通信中應(yīng)用非常廣泛，尤其是作為數(shù)據(jù)發(fā)射器。有些情況下，數(shù)據(jù)調(diào)制可直接由驅(qū)動(dòng)電流來實(shí)現(xiàn)。
3.單模LDs通?？梢詰?yīng)用到光譜學(xué)中，采用尺寸非常小的低功率測(cè)量器件。
4.小的紅光激光二極管（參閱紅光激光器）可以作為激光筆。
5.采用調(diào)制的低功率二極管激光器可以進(jìn)行距離測(cè)量。激光打印機(jī)、掃描儀和條形碼讀取器采用的也是類似的激光器。
6.大面積激光二極管，二極管線陣和二極管堆可用作固態(tài)激光器的二極管泵浦。光纖耦合的大面積LDs可以作為光纖放大器的泵浦光源。
7.二極管線陣的輻射可以進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷（例如治療前列腺腫大）和皮膚病治療。
8.高功率的二極管堆可以直接用于材料加工，這時(shí)不需要高的光束質(zhì)量，例如用于表面加固，焊接和錫焊。與其它高功率激光器相比，它們更加簡(jiǎn)單，并且具有更高的電光轉(zhuǎn)化效率。
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