半導體激光器原理、類(lèi)型與光學(xué)元件全解析
半導體激光器（Semiconductor Laser Diode）是光電子技術(shù)的核心器件，激光器憑借其高效率、小型化及波長(cháng)多樣性，廣泛應用于通信、醫療、工業(yè)加工等領(lǐng)域。從1917年愛(ài)因斯坦提出“受激發(fā)射”理論開(kāi)始，半導體激光器迎來(lái)蓬勃的發(fā)展階段。
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遵循“受激發(fā)射”理論，在激光器的中間放置一種叫YAG釔鋁石榴石（形狀看似一根玻璃棒），然后在外面覆蓋一些釹元素，釹元素是一種不穩定的元素，一旦受到刺激就發(fā)光，且發(fā)出的光很穩定，為1064nm波段光線(xiàn)，通過(guò)不斷刺激釹使其不停發(fā)光，就形成了激光，刺激釹元素的燈，叫泵浦燈，多個(gè)激光器串成一線(xiàn)可以有效把激光能量放大。
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一、半導體激光器工作原理
1. 基本發(fā)光機制
半導體激光器的發(fā)光也是基于受激發(fā)射原理，一般經(jīng)歷粒子數反轉、 諧振腔反饋及光放大幾個(gè)步驟。
粒子數反轉：當向半導體PN結施加正向偏壓時(shí)，電子從導帶躍遷至價(jià)帶，與空穴復合釋放光子。
諧振腔反饋：由反射鏡構成的光學(xué)諧振腔（法布里-珀羅腔）使光子多次反射，觸發(fā)受激發(fā)射鏈式反應，形成相干激光。
光放大：增益介質(zhì)（如GaAs、InP）在電流驅動(dòng)下持續產(chǎn)生光子，直至輸出穩定的激光束。
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2. 核心結構特征
有源區（Active Region）：光子產(chǎn)生與放大的核心區域，厚度僅幾微米。
波導結構：限制光子橫向擴散，提升能量密度（如脊形波導、掩埋異質(zhì)結）。
熱沉設計：高導熱材料（如銅鎢合金）快速散熱，防止熱致波長(cháng)漂移。
二、半導體激光器的主要類(lèi)型
根據結構與應用場(chǎng)景，半導體激光器可分為以下四類(lèi)：
1. 邊發(fā)射激光器（Edge-Emitting Laser, EEL）
激光從芯片側面的解理面輸出，形成橢圓形光斑（發(fā)散角約30°×10°），典型波長(cháng)如808 nm（泵浦）、980 nm（通信）、1550 nm（光纖通信），廣泛用于高功率工業(yè)切割、光纖激光器泵浦源、光通信骨干網(wǎng)。
2. 垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）
激光垂直于芯片表面發(fā)射，光束圓形對稱(chēng)（發(fā)散角<15°）， 集成分布式布拉格反射鏡（DBR），無(wú)需外部反射鏡，廣泛用于3D傳感（如手機人臉識別）、短距光通信（數據中心）、激光雷達（LiDAR）。
3. 量子級聯(lián)激光器（Quantum Cascade Laser, QCL）
基于電子在量子阱間的級聯(lián)躍遷，波長(cháng)覆蓋中遠紅外（3–30 μm），無(wú)需粒子數反轉，通過(guò)子帶間躍遷產(chǎn)生光子，常規用于氣體傳感（如CO?檢測）、太赫茲成像、環(huán)境監測等應用領(lǐng)域。
4. 可調諧激光器（Tunable Laser）
可調諧激光器外腔設計（光柵/棱鏡/MEMS反射鏡），波長(cháng)調諧范圍可達±50 nm，窄線(xiàn)寬（<100 kHz），高邊模抑制比（>50 dB），常用于密集波分復用（DWDM）通信、光譜分析、生物醫學(xué)成像等應用。
三、半導體激光器的核心光學(xué)元件
半導體激光器的性能高度依賴(lài)光學(xué)元件的協(xié)同作用，如激光窗口片、反射鏡、準直與聚焦透鏡、濾光片與分束片、衍射光學(xué)元件。
1. 窗口片（Optical Window）作為激光輸出端的保護屏障，需同時(shí)滿(mǎn)足高透過(guò)率與抗環(huán)境侵蝕。
技術(shù)指標：材料透過(guò)率：>95%（以GaAs窗口片為例，808 nm透過(guò)率可達99%）。
損傷閾值：>10 MW/cm2（防止高功率激光燒蝕）。
適配場(chǎng)景：高功率EEL常采用金剛石窗口片（導熱率2000 W/m·K，散熱優(yōu)異）。
2. 反射鏡（Mirror）
集成式反射鏡：DBR反射鏡：由數十層AlGaAs/GaAs交替生長(cháng)，反射率>99.9%（VCSEL核心）。
解理面反射鏡：利用半導體晶體的天然解理面（如InP），反射率約30%，構成法布里-珀羅腔（EEL）。
外置反射鏡：
光柵反射鏡：用于可調諧激光器，波長(cháng)調諧精度達0.01 nm。
高反鍍膜：介質(zhì)膜堆棧（如SiO?/Ta?O?）實(shí)現>99.5%反射率。
3. 準直與聚焦透鏡
設計挑戰：半導體激光器的高發(fā)散角（EEL典型值30°×10°）需通過(guò)透鏡矯正為平行光。
解決方案：
非球面透鏡：消除球差，準直效率>90%（如Thorlabs C240TME-B，NA=0.6）。
光纖耦合透鏡組：多透鏡組合（如雙膠合透鏡）將光斑匹配單模光纖（模場(chǎng)直徑9 μm）。
(激埃特原創(chuàng )圖)
4. 濾光片與分束片
光譜優(yōu)化：帶通濾光片：抑制自發(fā)輻射（邊模抑制比提升至>40 dB）。
二向色分束片：反射泵浦光（如808 nm）回諧振腔，提升電光效率。
功率監控：
分束片（90:10）將部分激光導向光電二極管，實(shí)時(shí)校準輸出功率。
5. 衍射光學(xué)元件（DOE）
功能擴展：
光束勻化：將高斯光斑轉換為平頂分布（均勻性>95%），用于激光焊接。
結構光生成：VCSEL陣列+DOE產(chǎn)生數萬(wàn)點(diǎn)陣，用于3D人臉識別（如iPhone Face ID）。
四、光學(xué)元件與激光器性能的關(guān)聯(lián)
| 性能指標 | 依賴(lài)的光學(xué)元件 | 技術(shù)影響 |
| 輸出功率 | 窗口片抗損傷能力、反射鏡熱穩定性 | 金剛石窗口片可承受kW級連續光功率 |
| 光譜純度 | 濾光片帶寬、DBR反射鏡波長(cháng)選擇性 | 窄帶濾光片（0.1 nm）用于DWDM系統 |
| 光束質(zhì)量 | 非球面準直透鏡、DOE光束整形 | M2因子從3.0優(yōu)化至1.1（近衍射極限） |
| 可靠性壽命 | 耐腐蝕鍍膜、高精度膠合工藝 | Si?N?鍍膜使激光器壽命>10,000小時(shí) |
五、未來(lái)技術(shù)趨勢
1. 片上集成光學(xué)：硅光子學(xué)技術(shù)將透鏡、光柵直接集成于激光芯片，減少裝配復雜度（如Intel硅光激光器）。
2. 智能光學(xué)調控：液晶空間光調制器（LC-SLM）動(dòng)態(tài)校正像差，適應復雜傳輸介質(zhì)（如生物組織）。
3. 超構表面（Metasurface）：納米級結構替代傳統透鏡，實(shí)現亞波長(cháng)尺度光束操控（如偏振分束超構透鏡）。
半導體激光器是“光與電”的精密結合體，其性能既取決于半導體材料的量子特性，也離不開(kāi)光學(xué)元件的精準調控。從保護激光腔的窗口片到塑造光束的DOE，每一個(gè)元件都是光學(xué)工程與半導體物理的智慧結晶。未來(lái)，隨著(zhù)微納制造與計算光學(xué)的突破，半導體激光器將進(jìn)一步向智能化、多功能化與極端性能（超短脈沖、超窄線(xiàn)寬）演進(jìn)，成為下一代光子技術(shù)的核心引擎。