半导体激光器的应用介绍

有足够的输出功率半导体二极管激光器是在光学显微镜用的是现在可以从一台主机制造商。 一般来说，这些器件工作在红外区，而较新的二极管激光器在各种特定可见光波长的工作正在迅速的发展。 联接到该改进的光束形状和稳定性的内部的光学系统的二极管激光器现在能够匹敌氦氖激光器在许多荧光显微镜的应用程序。 这种互动式的教程探讨了典型的二极管激光器，以及如何专业变形棱镜可以用于扩束的属性。

教程初始化通过全面运作显示蓝色二极管激光器和耦合到变形棱镜系统设置与产生了2×扩束的取向。 来自激光二极管的光进入一个窗口和第一棱镜之前先通过一个三元素准直透镜系统 。 为了操作的教程，使用棱镜取向滑块以改变两个合成棱镜元件的相对位置，随后修改的一系列2倍和6倍之间的激光束的扩展程度。 的大小和相应的输入和输出光束的形状被显示在窗口的教程的下部，并且被修改为在滑块被翻译。 束可以通过放置勾选激活快门复选框退出激光房屋前被暂停。 初始化后，教程显示二极管激光束为蓝色实线棱镜方向滑块的翻译后改变宽度。 光束将被改变，以模拟颗粒时该颗粒复选框被激活。

二极管激光器被制造利用一种特殊类型的半导体结，并因此有许多的优点和其他半导体和固态器件的特性。虽然这些激光器依靠电子进程的发生在固体半导体介质，激光作用在二极管激光器的基本原则是没有从那些控制其他（非半导体）激光系统的操作不同。 在所有的激光器，有必要对能量跃迁发生在激光介质的电子当中，并且其中的一些必须涉及的光子的发射（归类为光学跃迁）。 为了使这些跃迁导致放大的光的发射， 受激发射的过程中，必须凌驾于要么自发发射或吸收 。 这种情况是粒子数反转的活性介质，一个过程，由此上部能级的电子人口被诱导生长比较低水平较大的条件下实现的。

在非半导体激光器，其通常采用单一气体或气体混合物作为活性激光介质，电子能量跃迁单个原子或分子的群体内发生，以产生所需的人口反转。 为用于二极管激光器的半导体材料，电子内的结晶固体的流动必须发生在一个特定的和可预测的方式，以便产生一个正常运作的激光。 的单晶半导体表现在许多方面作为一个大的扩展的分子，并且其电子和振动运动发生在由量子理论预测的离散能级。 单个原子和分子的能级在气态激光介质可以在相对大的步显著变化。 然而，在一晶状固体，发生非常大的数目的电子水平相差很少能量或在量子数。

在一般情况下，个人层面的能量趋向于组在一起成为几乎连续的能量带，其中Zui低的是完全占据（填充）带，其由组成晶体的原子的内层电子的。 这些紧密结合的电子不参与固体的组成原子之间的键合。 相反，接合作用是由驻留在价带 ，它由电子在该相互作用中对以形成固体的原子之间有所本地化债券更高的能量水平的电子进行。 另一个频带，称为导带 ，也处于静止更高能级存在于固体状态。 导带电子的能量到已被提升到激发态中的单个原子或分子的电子相似，而这些具有自由的高度内的固体移动。 在价带和导带之间的能量差被定义为带隙的特定材料。 在不同类型的材料，包括绝缘体，半导体和导体的频带的能量的关系，示于图1中的带隙能量由变量E（g）表示，而KT是热激发能量和E（六）为费米能量。

在的带隙大小的范围是要理解电子传导的半导体的性质的关键。 为了使固体导电，其电阻必须很低足以使电子在整个本体的材料的更多或更少的自由移动。 在绝缘子，价带被完全占用并且通过它的电子可以从原子移动到原子的唯一手段是一个价电子可位移到导带，这需要的能量的相当大的开支。 此行为与在绝缘体的电流的高电阻相一致。 导体，比如很多的普通金属，具有价带和导带，在能量（参见图1）部分地重叠，使得从价带的电子的一个子集实际上驻留在导带。 带隙基本上为零对这些材料，并与一些价电子自由移动到导带的，空缺或孔发生在价带。 电子移动，用很少的能量输入，成占据相邻原子的频带孔，并且所述孔在相反方向上自由迁移。 电子和空穴在整个固体的运动是由当前执行的机制。（奥林巴斯显微镜）

半导体具有电阻值是那些绝缘体和导体，因为这些材料具有带隙，其体积小，但有限的（在图1中示出）之间的中间。 正常热搅动足以移动至一个小数目的电子到导带，并性可通过提高温度来降低。 许多半导体器件被设计成一个电压的该应用程序产生在均衡电子人口分布的变化所必需的电流的流动。

Zui简单和Zui常用的半导体是硅，其中，在固体形式股电子与四个相邻的四面体对称各原子。 硅是Zui经常用来说明半导体的各种特性的例子中，虽然在半导体激光器的应用的许多重要的材料是基III和V族元素，包括砷化镓，磷化铟，和砷化铟的化合物。 即使带布置是类似的所有半导体，有在带隙和电子的频带在特定的温度条件中的分布差异大。

纯硅不具有电荷载体在环境条件下有足够数量是实用的设备如二极管激光器。 但是，硅的性质，以及与其他的半导体材料，可在合成过程中通过引入不同的杂质的量进入晶格，被称为掺杂的过程的修改（参见图2）。使用的硅晶格，如图2的示例，引入在电子赤字少量的Ⅲ族元素的结果，或电子空穴（蓝色原子），在结晶晶格时相比，纯的正常电子共享安排硅。 与此相反，除V族元素作为掺杂剂（图2中的红色原子）的产生过量的电子，是不是晶格的共享成员，并因此在结构中移动。 被修改，或掺杂的，在这种方式的半导体材料被称为n型半导体，如果他们有过量的电子，和p型半导体，如果它们含有过量的孔。

在p型和n型半导体材料的区域之间的交界处，一个不寻常的一套电子的条件的存在，其包括基础对所有基于半导体的设备，包括二极管激光器。 当这两种类型的半导体材料的紧密接合，之间的能量水平的平衡分布的任何移可以使电流穿过pn结流动（见图2和3）。 在半导体器件中，施加到连接点的电压提供结的相对两侧中的费米能级的移位（从统计，或玻尔兹曼的偏差，电子人口分布），和电子同时移向p型区域，而空穴流入n型区域。 在某些情况下，该系统可以通过光子的由自发发射的工序排放放松返回到平衡电子分布。 该材料的带隙决定发射的光子的能量。 光从电子和空穴中的pn结区的重组得到的发射是发光二极管（LED），这直接关系到二极管激光器功能的机制。 如图3中所示的能带结构的一个典型的pn半导体结的表示。

如先前所讨论的，如果在材料中的电子跃迁可以被诱导以产生粒子数反转，以及随之而来的概率受激发射的统计学越高，则净光放大的结果。 在一个典型的激光器，所产生的光被限制到活性介质，和相对的反射镜被用于产生在介质中多次反射，以增加从激光腔中的光输出的增益。 一个反射镜被设计为完全的光反射回到空腔中，而另一种是能够传送放大的光作为输出束的一部分。 这个简单的方案是激光功能的主要依据。

在p型和n型半导体之间的交界处，粒子数反转可以电子和空穴的能级之间创建如果有足够的电能被施加到结。 用受激发射而导致的粒子数反转的主导地位，对激光作用仅存要求是限制发射，以便它主要针对沿交界的边界，并且从该半导体材料被发射之前经过放大或增益。 在二极管激光器器件，发射的光的限制到光腔通过施加反射涂层至该激光晶体的相对端通常被实现。 然而，在一些情况下，则不需要甚至这个简单的步骤。因为大多数的半导体材料的折射率高于空气的显著高，足以内反射发生在晶体来限制发射和维持激光作用在许多激光材料的边界。 图4示出了一个简单的砷化镓二极管激光器的结构。

大多数二极管激光器是基于III-V族化合物选自周期表的元素的晶体晶片。 那些从砷化镓和其典型地产生激光在660和900纳米之间的波长的衍生物制成的，和那些利用磷化铟系化合物产生1300和1550纳米之间的波长。 市场的主导段是短波长激光，具有在数字光信号的存储和检索，如小型盘音频系统中Zui常见的应用是与读/写设备。 长波长的二极管激光器主要用于由电信行业对于光纤数据传输。 二极管激光器可以响应非常迅速，并且以线性方式，以改变驱动电流，这是在电信传输的显著优势。 在非常高的速率被调制的光源的功能使信号的巨大数目，在一个单一的光纤承载。

为围绕所述二极管激光器的技术的演进，显着改善已在效率，光谱特性，以及装置的功能寿命。 在这些激光器的设计的一个主要目标是防止辐射的内部损失，由于从小交界处，在那里增益出现过度的光束传播。 通过各种技术，用于在光束，不仅是激光Zui大化的效率和输出功率，而且某些其他特性的光束受到影响在所希望的方式进行。

一个专门的异质结 （两种不同材料之间的交界处）的应用是通过该半导体结的天然特性被用来限制激光束的一种机制。 Zui常见的异质结中的二极管激光器利用被砷化镓和镓砷化铝之间形成。 从该异种材料之间的带隙差异起到限制电子或空穴的结区的事实利用这一设计结果改进激光操作（增加光学增益）。 发射的光也主要限于该区域，由于异质结的折射率不连续性。 双异质结是另一个事先从两者的禁闭好处电荷载体和光子的有源区域，得到进一步提高效率。

虽然结属性和配置可以被操纵以限制所述二极管的激光束的结平面，在晶片几何其它修改常常用来进一步限制光束。 在二极管结构的许多变化被施加以达到特定的业务目标，诸如高功率或带宽调谐，但两个用于光束扩散控制的Zui基本的机制是增益引导和指数引导 。 与增益波导设计中，由于Zui早二极管激光器利用，光子被集中在结造成的Zui大电荷载流子的磁通，这是由在晶片表面上的金属电极条的形状来确定的附近。 所述折射率导引设计依赖于在沉积过程中形成在晶片的波导槽。 凹槽，相邻的活性结，将创建的几何形状由折射率不连续地限制激光辐射四面。 所述折射率导引激光器具有一个附加的优点在于，它降低了象散的输出光束，即必须对许多应用被消除二极管激光器的一个不幸的特征。

尽管他们的许多优点，一些由二极管激光器显示出的输出光束的特性是不适合用于特定的应用，并且必须通过加入光学元件或其他由机制来校正。 大多数的二极管激光器的输出由一个单横模，它等效于TEM的传统激光系统（00）的模式。 在梁的横向方向上的强度分布是伪高斯，这是理想的在光学显微镜大多数激光应用。然而，从一个典型的二极管激光器发射的光束是高度椭圆形的，并且光束发散的相比则对称高斯光束的说明书显著不同。 图4中，其中概述的二极管激光器的基本结构，还示出了光束的椭圆时发射从有源层的输出面。光束不对称导致一个事实，即一个典型结可以具有一个厚度仅为0.1微米，但可延伸至5微米或更大的宽度。其结果是，发散在平行于结层的平面可以比在垂直的方向上的层少5或6次。 准直光束将呈现发散在一距离，该距离是在两个方向上不同。 如果此光束不对称是用于特定应用的重要，它可以与专门的光学系统，如合成棱镜，它通过扩展输出光束的短轴功能进行校正。 教程说明了这些棱镜在一个典型的二极管激光器系统的光路的位置和利用。

光束散光是激光二极管的另一个潜在的缺点，特别是在增益导引设计。 因为光束尺寸由属性在于从那些在平面垂直于结不同的结的平面中定义，光束似乎来自不同分来自这两个正交方向观察时，以发散。 折射率波导激光器大大减少散光，但商业激光二极管典型地显示出未校正散光的多达5微米。 Zui简单的技术，用于校正散光是引入弱柱面透镜。 然而，如果完全除去像差是必要的，该激光系统应提供可调节辅助透镜元件（如正或负的透镜来添加或从所述轴中减去功率）。

低功率激光二极管典型地制造在一个包，其中包括用来监控激光输出，以作为一个反馈功率控制的光电二极管。 此外，平面玻璃窗口通常密封的集成封装的输出端（参见图4）。 通过这个窗口引入球面象差，必须在束修改光学器件的设计，以实现Zui佳的性能进行校正。

二极管激光器的高发散可通过利用具有高数值孔径化合物元件的准直透镜，它也可以被设计为使得透镜系统的第一元件消除像差从玻璃窗的被校正。 市售二极管激光系统通常结合在激光二极管和光束校正光学成预对准的头组件。 在这些设计中，一个弱柱面透镜放置在光束准直透镜系统后可以纠正前面提到的光束散光，和确保原点的光束的视点是在两个正交平面是相同的。

以下的光束准直，以尽量减少远场发散，所述椭圆形横截面，必须通过扩展在一维变换，使其圆形。 合成棱镜对，安装如图教程和图5中，可以完成这种扩张。 两个相同的棱镜被安装在一个角度（接近布鲁斯特角）的入射光束，然后以小的增量移动横向，同时在一个方向（失真地）被扩大。 膨胀的大小由两个棱镜之间的角度来确定。 对于二极管激光器系统的Zui佳性能，对准公差非常小，通常在微米级。 干涉是进行比对和验证激光器组件的性能的唯一可靠的方法。 由于这个原因，大多数商业组件结合所有的激光组件中的刚性包装，保护对准，并从尘埃屏蔽的光学元件。