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一文看懂半导体激光器发展历程及应用现状

2019-06-06 作者:admin 来源:机械网

激光技术已成为现代生活中不可替代的技术之一,不论是工业加工、医疗美容、光纤通信,还是近年来火热的无人驾驶、智能机器人等,都与激光技术息息相关。今天我们主角是半导体激光器,小编将带大家一起回顾它的发展历程及应用现状。

从理论发展到实验室研制

激光的起源可以追溯到1916年爱因斯坦发布的《关于辐射的量子理论》 一文。爱因斯坦首次提出受激辐射理论,为日后激光的发展提供了理论基础。40年后,关于能否用半导体材料形成激光的话题开始被物理学家注意,艾格瀚等科学家提出了许多半导体激光器的设想及可能。

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经过几年的论证与实验,同质结GaAs半导体激光器于1962问世。但由于同质结半导体激光器的临界电流密度很高,不能在室温下实现连续受激激发,导致其几乎没有任何实用性。因此半导体激光器的研究方向指向了“实现室温情况下连续受激激发”。

为解决临界电流密度高的问题,科学家们提出了异质结构半导体激光器的概念,通过用不同带隙的半导体材料薄层组成“结”,有效地降低了临界电流密度。1967年,单异质结半导体激光器问世。与同质结半导体激光器相比,单异质结半导体激光器临界电流密度有了大幅度的下降,但仍处在一个较高的位置,未能实现室温条件下的连续受激激发的研究目标。尽管如此,单异质结半导体激光器的历史地位也不容轻视,它所使用的异质结结构与液相外延技术,为接下来的研究提供了重要的理论基础和技术支持。

稳定激发、提高寿命,半导体激光器走向实际应用

异质结构的成功运用为科学家指明了方向。既然单异质结半导体激光器的临界电流密度仍然偏高,那么双异质结构效果怎么样呢?

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1969年9月,Leningrad Ioffe研究所发布了双异质半导体激光器(AlxGa1-xAs--GaAs)初步的研究成果。1970年初,贝尔实验室成功降低了双异质半导体激光器的临界电流密度, 实现了室温条件下的连续受激激发,宣告双异质半导体激光器面世。同年5月,Leningrad Ioffe研究所也成功实现双异质半导体激光器在室温下的连续受激发射。

室温下连续受激发射是激光器走向实用性的第一步。解决了室温下可用,就该考虑室温下耐用的问题了,半导体激光器的研究方向也随之转向“实现器件的长寿命与稳定性”。

国际科研人员通过不断改进器件结构,逐步提高了半导体激光器的工作寿命,在1977年实现了双异质短波长半导体激光器连续工作1×106个小时。此后,美、日等国就改进器件结构、提高器件稳定性、降低损耗等方面展开研究,研制出CDH、BH、TJS、CDH等结构的AlGaAs—GaAs激光器,均实现了温室下连续受激激发及单模化工作。

长寿命光源的出现,为半导体激光器走向实际应用铺平了道路。研究人员发现,半导体激光器的波长与光纤十分相配,非常适宜用于光纤通信,因此半导体激光器搭上了光纤通信的发展列车,在不断进步的同时也推动着光通信行业的发展。

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