原標(biāo)題：半導(dǎo)體激光器工作原理

半導(dǎo)體激光器（又稱激光二極管）利用半導(dǎo)體材料的特性，通過(guò)電注入方式實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生受激輻射并輸出激光。其核心工作原理基于半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)、諧振腔反饋機(jī)制及增益條件，具體如下：

1. 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

• 能帶結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體材料由價(jià)帶（低能級(jí)）和導(dǎo)帶（高能級(jí)）組成，兩者之間為禁帶。電子需吸收能量（如電能）從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，形成非平衡載流子。

• 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：通過(guò)正向偏壓向半導(dǎo)體有源區(qū)注入載流子（電子和空穴），使導(dǎo)帶底部的電子數(shù)超過(guò)價(jià)帶頂部的空穴數(shù)，實(shí)現(xiàn)高能級(jí)粒子數(shù)大于低能級(jí)粒子數(shù)的非平衡分布。

2. 受激輻射與光放大

• 受激輻射：當(dāng)高能級(jí)電子與低能級(jí)空穴復(fù)合時(shí)，釋放出與入射光子能量相同、相位一致的光子。

• 光放大：在諧振腔內(nèi)，受激輻射產(chǎn)生的光子在兩端反射鏡間多次反射，不斷激勵(lì)更多電子-空穴對(duì)復(fù)合，形成光子增殖，實(shí)現(xiàn)光放大。

3. 諧振腔與光反饋

• 諧振腔結(jié)構(gòu)：

• 法布里-珀羅（F-P）腔：利用半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡，一端鍍高反膜，另一端鍍減反膜。

• 垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）：諧振腔垂直于芯片表面，輸出光束為圓形，適用于高密度集成。

• 光反饋：諧振腔使光子在兩端反射鏡間來(lái)回振蕩，滿足相長(zhǎng)干涉條件時(shí)形成穩(wěn)定激光輸出。

4. 閾值條件與激光輸出

• 閾值電流：當(dāng)注入電流達(dá)到閾值時(shí)，光增益等于光損耗，激光器開(kāi)始振蕩。

• 激光輸出：特定波長(zhǎng)的光在諧振腔內(nèi)諧振并被放大，最終從輸出端面發(fā)射出相干性好的激光束。

5. 典型結(jié)構(gòu)與材料

• 雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)：通過(guò)不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料形成勢(shì)壘，限制載流子擴(kuò)散，提高增益。

• 材料體系：

• 砷化鎵（GaAs）：工作波長(zhǎng)在近紅外（850 nm）。

• 磷化銦（InP）：適用于1.3 μm和1.55 μm通信波段。

• 氮化鎵（GaN）：用于藍(lán)光和紫外激光器。

6. 關(guān)鍵參數(shù)與特性

• 輸出功率：從毫瓦級(jí)（如VCSEL）到瓦級(jí)（如邊發(fā)射激光器）。

• 波長(zhǎng)范圍：覆蓋紫外到紅外波段（375 nm - 2 μm）。

• 調(diào)制速率：可達(dá)數(shù)十GHz，適用于高速光通信。

• 壽命：典型壽命超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)，可靠性高。

7. 應(yīng)用領(lǐng)域

• 光通信：光纖傳輸、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)。

• 光存儲(chǔ)：CD/DVD/藍(lán)光光驅(qū)。

• 激光打印：高分辨率打印頭。

• 醫(yī)療：激光手術(shù)、光療。

• 工業(yè)：激光切割、焊接。

• 消費(fèi)電子：3D傳感（如人臉識(shí)別）、激光雷達(dá)（LiDAR）。

8. 優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

• 優(yōu)勢(shì)：

• 體積小、重量輕、效率高。

• 可直接電調(diào)制，響應(yīng)速度快。

• 與半導(dǎo)體工藝兼容，易于集成。

• 挑戰(zhàn)：

• 散熱問(wèn)題限制高功率輸出。

• 波長(zhǎng)隨溫度變化（溫度調(diào)諧系數(shù)約0.3 nm/℃）。

• 光學(xué)災(zāi)變損傷（COMD）影響可靠性。

總結(jié)：半導(dǎo)體激光器通過(guò)電注入實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，利用諧振腔的反饋機(jī)制和受激輻射放大光信號(hào)，最終輸出相干性好的激光束。其小型化、高效率、可集成性使其成為現(xiàn)代光電子技術(shù)的核心器件，廣泛應(yīng)用于通信、傳感、醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域。