半導(dǎo)體激光器的發(fā)展及其在激光光譜學(xué)中的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器的發(fā)展及其在激光光譜學(xué)中的應(yīng)用
【摘要】 半導(dǎo)體激光器的發(fā)展迅速，以其獨(dú)特的性能及優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng) 用．本文簡(jiǎn)略地回顧了各種半導(dǎo)體激光器的原理、結(jié)構(gòu)、進(jìn)展及其在激光光譜學(xué)中的 主要應(yīng)用．給出利用垂直腔面發(fā)射激光器得到的氧氣的吸收光譜．

0 引言
自從1962年世界上第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器 (Diode Laser)發(fā)明問世以來⋯ ，由于其體積小、重 量輕、易于調(diào)制、效率高以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被 認(rèn)為是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之．四十幾 年來半導(dǎo)體激光器逐步應(yīng)用在激光唱機(jī)、光存儲(chǔ) 器、激光打印機(jī)、條形碼解讀器、光纖電信以及激 光光譜學(xué)中，不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍，進(jìn)人 一些其它 類型激光器難以進(jìn)人的新的應(yīng)用領(lǐng)域．多功能測(cè)試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗(yàn)電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測(cè)試器| 電力計(jì)| 電力測(cè)量?jī)x| 光度計(jì)| 電壓計(jì)| 電流計(jì)|

1 半導(dǎo)體激光器的發(fā)展
半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料(主要是化合 物半導(dǎo)體)作為工作物質(zhì)，以電流注人作為激勵(lì) 方式的一種小型化激光器．它必須滿足三個(gè)基本 要素：
(1)p—n結(jié)區(qū)的電子一空穴復(fù)合，提供光增 益；
(2)正向偏置p—n結(jié)提供載流子注入．
(3)垂 直于結(jié)的兩個(gè)解理端面形成F—P諧振腔提供反 饋． 世界上的第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器是同質(zhì)結(jié) 的 ，即和普通的p—n結(jié)極管一樣．這種同質(zhì)結(jié) 激光器有源區(qū)的厚度為電子擴(kuò)散長(zhǎng)度量級(jí)(微米 量級(jí))，閾值電流密度需達(dá)到10 ．AJem!． 此只 收稿日期：2004—11—05 能在液氮溫度(77 K)和脈沖狀態(tài)下工作．
1967年 出現(xiàn)的單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器由兩種不同帶隙的 半導(dǎo)體材料薄層所組成，利用高帶隙勢(shì)壘的阻擋 作用，使閾值電流密度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并實(shí)現(xiàn) 了在室溫下脈沖工作，但不久便被1970年出現(xiàn)的 雙異質(zhì)結(jié)激光器所取代．雙異質(zhì)結(jié)激光器是將窄 帶隙并具有高折射率的半導(dǎo)體材料夾在兩個(gè)寬帶 隙并具有低折射率的半導(dǎo)體材料之間，因而叮以 利用帶隙勢(shì)壘和光波導(dǎo)將載流子和光子有效地限 制在有源區(qū)內(nèi)．從而使閾值電流密度又降低了一 個(gè)數(shù)量級(jí)，并實(shí)現(xiàn)了室溫下連續(xù)工作 ．1978年 出現(xiàn)的量子阱激光器是把窄帶隙超薄層夾在兩個(gè) 寬帶隙勢(shì)壘薄層之間，由于有源層的厚度被減少 到同電子德布羅意波長(zhǎng)(約為10 rim)差不多，即 量子化尺寸 ．所以量子阱只在平行于阱壁的平 面內(nèi)有兩個(gè)自由電子氣，提高了注人有源層內(nèi)載 流子的利用率，降低了閾值電流密度(～5()A／ cm )． 普通結(jié)構(gòu)的F—P腔半導(dǎo)體激光器，雖然在 直流狀態(tài)下能實(shí)現(xiàn)單縱模工作，但在高速調(diào)制狀 態(tài)下也就會(huì)發(fā)生光譜展寬。難以獲得單縱模激光 振蕩．1975年的分布反饋(DFB)激光器是一種具 有引人光柵技術(shù)的平面結(jié)構(gòu)諧振腔的半導(dǎo)體激光 器 ]，它是由內(nèi)含布拉格光柵來實(shí)現(xiàn)光的反饋 的，光柵分布在整個(gè)諧振腔中．與F—P腔半導(dǎo)體 激光器相比，DFB激光器的諧振腔損耗有明顯的 波長(zhǎng)依存性，因而在單色性和穩(wěn)定性方面優(yōu)于一 般的F—P腔半導(dǎo)體激光器． 雖然，用襯底晶體的解理面作F—P諧振腔 的邊發(fā)射激光二極管在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造技術(shù)、工作 特性、應(yīng)用領(lǐng)域等方面都取得了巨大進(jìn)展，但仍然 存在一些不足．如在芯片解理前，不可能進(jìn)行單個(gè) 器件的基本性能測(cè)試；光束發(fā)散角過大且呈橢圓 狀；不易形成二維光束列陣等．
70年代末期日本 的Iga等人研究的VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器) 及其列陣是一種新型的半導(dǎo)體激光器 J．所謂垂 直腔是指激光腔的方向(光子振蕩方向)垂直于 半導(dǎo)體芯片的襯底，有源層的厚度即為諧振腔長(zhǎng) 度．其結(jié)構(gòu)如圖1所示． 出射光 布 格反朗器(DBR) 山射光 圖1 VCSEI，激光器的結(jié)構(gòu)示意圖 它是在由高與低折射率介質(zhì)材料交替生長(zhǎng)成 的分布布拉格反射器(DBR)之問連續(xù)生長(zhǎng)單個(gè) 或多個(gè)量子阱有源區(qū)所構(gòu)成，光束垂直于襯底輸 出‘ ．這種激光器在l979年實(shí)現(xiàn)了77 K溫度下 工作，先后又于1984年和l988年實(shí)現(xiàn)了在室溫 卜脈沖和連續(xù)工作．它與側(cè)面發(fā)光的端面發(fā)射激 光器在結(jié)構(gòu)上有著很大的不同。端面發(fā)射激光器 的出射光垂直于晶片的解理平面．
而VCSEL激光 器的發(fā)光束垂直于晶片表面．它優(yōu)_『端面發(fā)射激 光器的表現(xiàn)在： ●易于實(shí)現(xiàn)二維平面和光電集成：?jiǎn)蝹�(gè)VC— SEL激光器僅幾微米大小．有可能在l cm 的芯 片上集成百萬個(gè)這種微型激光器． ● 圓形光束易于實(shí)現(xiàn)與光纖的有效耦合： VCSEL有徑向?qū)ΨQ的高斯近場(chǎng)分布，因而它們更 容易耦合到光纖或光學(xué)器件上 ． ●芯片生長(zhǎng)后無須解理、封裝即可進(jìn)行“在 片”實(shí)驗(yàn)，制作工藝簡(jiǎn)單，制作成本低． ●在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工 作； ●光束發(fā)散角較小，約為5。． ●有源區(qū)尺寸極小，因而可實(shí)現(xiàn)低閾值電流． 圖2即為溫度分別為2O℃ 、25℃ 及3O℃ 時(shí) 760nm VCSEL激光器(測(cè)O 激光器)的功率曲 線，所用功率計(jì)為“EG&G MODEL 460．1 A， 632．8 nm”，其中T=25 oC閾值電流約為3．4mA． 圖2 760 nm VCSEL激光器的功率曲線 VCSEL激光器的這些優(yōu)良的特性使得它在 被提出后的20多年里在許多方面都得到了廣泛 的應(yīng)用，如光存儲(chǔ)、激光打印和光通信等，不僅有 重要的科學(xué)意義，而且有廣泛的應(yīng)用前景．以下是 包括VCSEL激光器在內(nèi)的各類半導(dǎo)體激光器的 性能如表1． 由此可見，半導(dǎo)體激光器從最初的低溫 (77 K)F運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到室溫下連續(xù)j 作；從同質(zhì)結(jié) 發(fā)展成單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱(單、多量子 阱)等多種形式；閾值電流密度從10 A／cm 下降 到10A／cm ；制作方法從擴(kuò)散法發(fā)展到液相外延 (LPE)、氣相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金 屬有機(jī)化合物氣相淀積(MOCVD)、化學(xué)束外延 (CBE)以及他們的各種結(jié)合型等J 藝，都取得了 極大的進(jìn)展．

2 半導(dǎo)體激光器在激光光譜學(xué)中的
應(yīng)用 激光光譜具有廣泛的應(yīng)用范圍．如從分子光 譜、等離 物理、高階諧波產(chǎn)生的利學(xué)應(yīng)用到大氣 污染的監(jiān)測(cè)及癌癥的診斷等．半導(dǎo)體激光器除了 應(yīng)用在光纖通信等領(lǐng)域外，在激光光譜學(xué)中也有 較多的優(yōu)勢(shì)．
2．1 半導(dǎo)體激光器在激光光譜學(xué)中的優(yōu)勢(shì)
(1)具有可調(diào)諧性．這是用于激光光譜學(xué)的半 導(dǎo)體激光器的一個(gè)重要的特性，其波長(zhǎng)可通過改 表1 各類半導(dǎo)體激光器的性能對(duì)照表 變溫度或改變驅(qū)動(dòng)電流來調(diào)諧．
(2)具有高靈敏度．如對(duì)于某種氣體只要選擇 合適的光譜波段就可測(cè)出低于10 的濃度．
(3)具有高選擇性．半導(dǎo)體激光器的譜線寬度 可限制在多普勒寬度范圍內(nèi)，從而可以減少譜線 重疊，增加選擇性．
(4)波長(zhǎng)易于調(diào)制．半導(dǎo)體激光器可用調(diào)制技 術(shù)能夠減少激光的過量噪聲．
(5)光譜純度高．通常半導(dǎo)體激光器在測(cè)定譜 區(qū)重復(fù)掃描，所記錄的吸收光譜是特定時(shí)間間隔 內(nèi)的平均結(jié)果，因而信噪比大為提高． 如圖3即為“SPECDILAS V一763—0xY” VCSEL所探測(cè)的O 吸收光譜(半導(dǎo)體激光器的 工作溫度 ：10℃ ，， =4．6 mA，加32 Hz，l0． 6 mV的鋸齒波，256次平均)．可以看出，通過改 變工作電流很容易地得到0 的兩個(gè)吸收峰，無模 式跳躍． 760 88~[R7Q8) 76 1 003[R7R7 W avelength／’nm 圖3 用760 nmVCSEL激光器測(cè)得O 的吸收峰

2．2 當(dāng)前主要的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品 半導(dǎo)體激光器由 泛的應(yīng)用在國際上已形 成了相當(dāng)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)．Nanoplus，Laser Components GmbH，VERTILAS GmbH等都是當(dāng)前國際上主要 的半導(dǎo)體激光器的供應(yīng)者．LASER COMPONENTS GmbH提供了波長(zhǎng)為635 ～25I．zm最廣的半導(dǎo)體 激光器，其中包括一系列的紅外單模半導(dǎo)體激光 器(3～10i．zm)，760 rim、850 rim、794 rim以及現(xiàn)在 已擴(kuò)展到1．5～2 m之間的單模VCSLE激光器， 以及1．25～1．75Ixm 的DFB半導(dǎo)體激光器等． VERTILAS GmbH是全球主要的VCSEL激光器供 應(yīng)者，這些VCSEL激光器的波長(zhǎng)范圍為1．3～ 21xm，可調(diào)諧波長(zhǎng)范圍為3 Dm，主要用于光纖通 信技術(shù)及氣體監(jiān)測(cè)．由于"VCSE1 激光器和DFB 激光器能夠?qū)崿F(xiàn)單縱模特性．因此它們常應(yīng)用在 激光光譜學(xué)中尤其是氣體的測(cè)量中．

2．3 半導(dǎo)體激光器在實(shí)際中的具體應(yīng)用 由于半導(dǎo)體激光器所特有的優(yōu)勢(shì)在涉及能 量、環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用上引起了人們的關(guān)注．以下 則為半導(dǎo)體激光器在燃燒參數(shù)、火山氣體以及汽 車尾氣等監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用． Ulf Gustfsson應(yīng)用半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù) 采用直接吸收測(cè)量技術(shù)同時(shí)監(jiān)測(cè)了燃燒器中 CH ，H O及O ．該實(shí)驗(yàn)是運(yùn)用基于兩個(gè)近紅外半 導(dǎo)體激光器的差頻體系實(shí)現(xiàn)的 ．Kai—uwe Pie— ban利用基于760 nmVCSEL激光器的GM70o一 1C傳感器快速地測(cè)量了汽車排氣口氣體流體中 的O 濃度 ．A．ROCCO等人利H]在1．997 m激 射的單模DFB半導(dǎo)體激光器光語儀分別在Naple 附近的Solfatara火山和意大利Eolian 81·chipelago 的Vulcano Island監(jiān)測(cè)了火山 體中的H，O和 CO! ．所測(cè)得的H O和CO 濃度的小精確度為 1％ 到3％ “ ．Philip A．Ma n,in利 近幻．外DFB半 導(dǎo)體激光器裝置遙感監(jiān)測(cè)了路面f 汽車尾氣中的 c0和c0 氣體 坦 ．該裝置的扣描周期為1 s，在 1h內(nèi)可測(cè)取3600個(gè)車輛，效率極高．J—Ph．Bes— l368．6nm．1651．0 nm和1742．4 nlTI同時(shí)探測(cè)了 H O、CH 及HC1氣體，測(cè)得的結(jié)果表明三者的靈 敏度分別為0．3×10～，0．4 X 10～，1×10 L” ． 由此可見，半導(dǎo)體激光器具有高靈敏度、高選 擇性、快的檢測(cè)速度和現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)測(cè)定能力，是氣體 微量成分探測(cè)的非常有吸引力的工具，因此得到 了飛速的發(fā)展．

3 結(jié)論
綜上所述，由于半導(dǎo)體激光器的體積小、輸入 能量低、壽命較長(zhǎng)、易于調(diào)制以及價(jià)格低廉等優(yōu) 點(diǎn)，使得它已在激光技術(shù)中占有顯赫的地位，它的 成功應(yīng)用已遍及電子學(xué)以及激光光譜學(xué)等許多重 要領(lǐng)域．其中VCSEL型半導(dǎo)體激光器，由于單縱 模、波長(zhǎng)可連續(xù)調(diào)諧、無模式跳躍、波長(zhǎng)分布范圍 廣等特點(diǎn)，很適合各種氣體的激光光譜學(xué)研究．