半導體激光器的發(fā)展及其在激光光譜學中的應用

半導體激光器的發(fā)展及其在激光光譜學中的應用
【摘要】 半導體激光器的發(fā)展迅速，以其獨特的性能及優(yōu)點獲得了廣泛的應 用．本文簡略地回顧了各種半導體激光器的原理、結構、進展及其在激光光譜學中的 主要應用．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年世界上第一臺半導體激光器 (Diode Laser)發(fā)明問世以來⋯ ，由于其體積小、重 量輕、易于調制、效率高以及價格低廉等優(yōu)點，被 認為是二十世紀人類最偉大的發(fā)明之．四十幾 年來半導體激光器逐步應用在激光唱機、光存儲 器、激光打印機、條形碼解讀器、光纖電信以及激 光光譜學中，不斷擴大應用范圍，進人 一些其它 類型激光器難以進人的新的應用領域．多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量儀| 光度計| 電壓計| 電流計|

1 半導體激光器的發(fā)展
半導體激光器是以半導體材料(主要是化合 物半導體)作為工作物質，以電流注人作為激勵 方式的一種小型化激光器．它必須滿足三個基本 要素：
(1)p—n結區(qū)的電子一空穴復合，提供光增 益；
(2)正向偏置p—n結提供載流子注入．
(3)垂 直于結的兩個解理端面形成F—P諧振腔提供反 饋． 世界上的第一臺半導體激光器是同質結 的 ，即和普通的p—n結極管一樣．這種同質結 激光器有源區(qū)的厚度為電子擴散長度量級(微米 量級)，閾值電流密度需達到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 出現的單異質結半導體激光器由兩種不同帶隙的 半導體材料薄層所組成，利用高帶隙勢壘的阻擋 作用，使閾值電流密度降低了一個數量級，并實現 了在室溫下脈沖工作，但不久便被1970年出現的 雙異質結激光器所取代．雙異質結激光器是將窄 帶隙并具有高折射率的半導體材料夾在兩個寬帶 隙并具有低折射率的半導體材料之間，因而叮以 利用帶隙勢壘和光波導將載流子和光子有效地限 制在有源區(qū)內．從而使閾值電流密度又降低了一 個數量級，并實現了室溫下連續(xù)工作 ．1978年 出現的量子阱激光器是把窄帶隙超薄層夾在兩個 寬帶隙勢壘薄層之間，由于有源層的厚度被減少 到同電子德布羅意波長(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 面內有兩個自由電子氣，提高了注人有源層內載 流子的利用率，降低了閾值電流密度(～5()A／ cm )． 普通結構的F—P腔半導體激光器，雖然在 直流狀態(tài)下能實現單縱模工作，但在高速調制狀 態(tài)下也就會發(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 有引人光柵技術的平面結構諧振腔的半導體激光 器 ]，它是由內含布拉格光柵來實現光的反饋 的，光柵分布在整個諧振腔中．與F—P腔半導體 激光器相比，DFB激光器的諧振腔損耗有明顯的 波長依存性，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)射激光二極管在結構優(yōu)化、制造技術、工作 特性、應用領域等方面都取得了巨大進展，但仍然 存在一些不足．如在芯片解理前，不可能進行單個 器件的基本性能測試；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 半導體芯片的襯底，有源層的厚度即為諧振腔長 度．其結構如圖1所示． 出射光 布 格反朗器(DBR) 山射光 圖1 VCSEI，激光器的結構示意圖 它是在由高與低折射率介質材料交替生長成 的分布布拉格反射器(DBR)之問連續(xù)生長單個 或多個量子阱有源區(qū)所構成，光束垂直于襯底輸 出‘ ．這種激光器在l979年實現了77 K溫度下 工作，先后又于1984年和l988年實現了在室溫 卜脈沖和連續(xù)工作．它與側面發(fā)光的端面發(fā)射激 光器在結構上有著很大的不同。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 光器的表現在： ●易于實現二維平面和光電集成：單個VC— SEL激光器僅幾微米大小．有可能在l cm 的芯 片上集成百萬個這種微型激光器． ● 圓形光束易于實現與光纖的有效耦合： VCSEL有徑向對稱的高斯近場分布，因而它們更 容易耦合到光纖或光學器件上 ． ●芯片生長后無須解理、封裝即可進行“在 片”實驗，制作工藝簡單，制作成本低． ●在很寬的溫度和電流范圍內都以單縱模工 作； ●光束發(fā)散角較小，約為5。． ●有源區(qū)尺寸極小，因而可實現低閾值電流． 圖2即為溫度分別為2O℃ 、25℃ 及3O℃ 時 760nm VCSEL激光器(測O 激光器)的功率曲 線，所用功率計為“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 的應用，如光存儲、激光打印和光通信等，不僅有 重要的科學意義，而且有廣泛的應用前景．以下是 包括VCSEL激光器在內的各類半導體激光器的 性能如表1． 由此可見，半導體激光器從最初的低溫 (77 K)F運轉發(fā)展到室溫下連續(xù)j 作；從同質結 發(fā)展成單異質結、雙異質結、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 屬有機化合物氣相淀積(MOCVD)、化學束外延 (CBE)以及他們的各種結合型等J 藝，都取得了 極大的進展．

2 半導體激光器在激光光譜學中的
應用 激光光譜具有廣泛的應用范圍．如從分子光 譜、等離 物理、高階諧波產生的利學應用到大氣 污染的監(jiān)測及癌癥的診斷等．半導體激光器除了 應用在光纖通信等領域外，在激光光譜學中也有 較多的優(yōu)勢．
2．1 半導體激光器在激光光譜學中的優(yōu)勢
(1)具有可調諧性．這是用于激光光譜學的半 導體激光器的一個重要的特性，其波長可通過改 表1 各類半導體激光器的性能對照表 變溫度或改變驅動電流來調諧．
(2)具有高靈敏度．如對于某種氣體只要選擇 合適的光譜波段就可測出低于10 的濃度．
(3)具有高選擇性．半導體激光器的譜線寬度 可限制在多普勒寬度范圍內，從而可以減少譜線 重疊，增加選擇性．
(4)波長易于調制．半導體激光器可用調制技 術能夠減少激光的過量噪聲．
(5)光譜純度高．通常半導體激光器在測定譜 區(qū)重復掃描，所記錄的吸收光譜是特定時間間隔 內的平均結果，因而信噪比大為提高． 如圖3即為“SPECDILAS V一763—0xY” VCSEL所探測的O 吸收光譜(半導體激光器的 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激光器測得O 的吸收峰

2．2 當前主要的半導體激光器產品 半導體激光器由 泛的應用在國際上已形 成了相當規(guī)模的產業(yè)．Nanoplus，Laser Components GmbH，VERTILAS GmbH等都是當前國際上主要 的半導體激光器的供應者．LASER COMPONENTS GmbH提供了波長為635 ～25I．zm最廣的半導體 激光器，其中包括一系列的紅外單模半導體激光 器(3～10i．zm)，760 rim、850 rim、794 rim以及現在 已擴展到1．5～2 m之間的單模VCSLE激光器， 以及1．25～1．75Ixm 的DFB半導體激光器等． VERTILAS GmbH是全球主要的VCSEL激光器供 應者，這些VCSEL激光器的波長范圍為1．3～ 21xm，可調諧波長范圍為3 Dm，主要用于光纖通 信技術及氣體監(jiān)測．由于"VCSE1 激光器和DFB 激光器能夠實現單縱模特性．因此它們常應用在 激光光譜學中尤其是氣體的測量中．

2．3 半導體激光器在實際中的具體應用 由于半導體激光器所特有的優(yōu)勢在涉及能 量、環(huán)境等領域的應用上引起了人們的關注．以下 則為半導體激光器在燃燒參數、火山氣體以及汽 車尾氣等監(jiān)測中的應用． Ulf Gustfsson應用半導體激光吸收光譜技術 采用直接吸收測量技術同時監(jiān)測了燃燒器中 CH ，H O及O ．該實驗是運用基于兩個近紅外半 導體激光器的差頻體系實現的 ．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)測了火山 體中的H，O和 CO! ．所測得的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 導體激光器裝置遙感監(jiān)測了路面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內可測取3600個車輛，效率極高．J—Ph．Bes— l368．6nm．1651．0 nm和1742．4 nlTI同時探測了 H O、CH 及HC1氣體，測得的結果表明三者的靈 敏度分別為0．3×10～，0．4 X 10～，1×10 L” ． 由此可見，半導體激光器具有高靈敏度、高選 擇性、快的檢測速度和現場同時測定能力，是氣體 微量成分探測的非常有吸引力的工具，因此得到 了飛速的發(fā)展．

3 結論
綜上所述，由于半導體激光器的體積小、輸入 能量低、壽命較長、易于調制以及價格低廉等優(yōu) 點，使得它已在激光技術中占有顯赫的地位，它的 成功應用已遍及電子學以及激光光譜學等許多重 要領域．其中VCSEL型半導體激光器，由于單縱 模、波長可連續(xù)調諧、無模式跳躍、波長分布范圍 廣等特點，很適合各種氣體的激光光譜學研究．