一、激光原理介绍

激光具有单色性好、方向性好、亮度高等优点，具有极高的应用价值。1917年爱因斯坦提出“受激发射”理论，为人类打开了激光技术的大门。

激光简单理解就是一束光，这束光的亮度很亮，通过把光聚集在一起，可以形成很高的能量，产生这种能量的设备叫激光器，我们来看一张激光器的结构图：

图片看上去很简单，但图片具体表达的是什么意思呢？

中间灰色的棒子叫YAG，中文名叫钇铝石榴石（好绕口），其实看上去就是一根玻璃棒，在玻璃棒里放了一些钕元素，放了钕元素的玻璃棒看上去会变漂亮，玻璃棒变成了粉色。

为什么要放钕呢？

钕这种元素很不稳重，一旦受到刺激就发光。

而我们需要激光，那么就要不停的刺激钕，钕就不停的发光，钕这种元素发出的光波长很稳定，是1064nm！好了，这个波长超出了人眼能识别的范围，我们看不见。

刺激钕元素的灯，叫泵浦灯，这个灯类似于日常用的日光灯，灯经常闪来闪去是会坏的，过个几年等变得不亮了就要更换。

激光棒激发出来的光要收集利用起来，就要用两个光学镜片堵在激光棒的两边，像两个闸门一样，让光按照一定方向出来。

这个图就是把3个激光器给串在一起，把激光能量一步一步加大，然后沿着红色和黑色的路线传输。

因为激光的传输是采用光纤传输的，这种激光器也叫光纤传导激光器。

激光器的外观是这样的，要是在激光发射的过程中盯着激光器看，激光器里的电灯一闪一闪，会亮瞎大家的双眼，所以在使用激光器的过程中，要戴好防护眼镜。

刚才讲了一款激光器，科学家们又根据产生激光的不同物质，把激光器分成了气体激光器、固体激光器、半导体激光器。

来张图：

简单的理解就是，产生激光的物质是气体，就要气体激光器，产生激光的物质是固体，就叫固体激光器…

如果用专业的词汇来介绍激光产生，位于激光谐振腔的增益介质受到泵浦光激励将增益介质内电子激发到更高的能级，然后释放光子回到低能级。下图表示了能级之间的光子-载流子变化。高能级电子自发释放能量跃迁到低能级，被称为自发辐射(光子发射)；低能级电子受到外部激励，跃迁到高能级，被称为受激吸收(光子吸收)；高能级的电子受到外界光子泵浦，释放出同频光子，跃迁到低能级，被称为受激发射(相干光发射)；处于高能级的电子跃迁到低能级，产生的能量不以电磁辐射的形式释放，被称为非辐射跃迁。

受到泵浦光激励的增益介质放出大量光子，谐振腔的两端的腔镜可以对腔内光束模式进行选择。部分光子在高反射率的激光谐振腔内多次反射不泄露，这部分光子经过增益介质的受激辐射放大过程，会形成高度简并度的光子束，从而形成激光。在增益芯片处于热平衡状态时，有源区内分子在能级上的分布遵从玻尔兹曼分布，低能级分布的粒子数远大于高能态分布的粒子数，此时受激吸收的概率大于受激辐射概率，无法实现激光的有效输出。当泵浦光持续泵浦增益介质，分布在高能级的粒子数越来越多，最终实现高能级分布粒子数大于低能级的粒子数，被称为粒子数反转，这个过程就是光放大。

二、半导体激光器的发明

刚才讲了把激光器按不同结构可分成了气体激光器、固体激光器、半导体激光器。

这一章介绍的重点是半导体激光器的原理。

早在20世纪50年代，莫斯科列别捷夫物理研究所的Basov教授就已经提出半导体激光器的设想，后续逐步研制出各种类型的半导体激光器。

1977年由日本东京工业大学Iga教授提出垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)，经过四十余年的发展，VCSEL已经广泛应用于光通信、原子钟、激光雷达等诸多领域。VCSEL 结构引入可调谐外部谐振腔结构被称为垂直外腔面发射激光器(Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser,VECSEL)，VECSEL可以在外腔中插入调制器件对输出激光进行调制。

按照出光方向的差别，可以将半导体激光器分为两类：垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）和边缘发射半导体激光器(Edge Emitting Laser, EEL)。

三、垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）介绍

垂直外腔面发射激光器是上世纪90 年代中期发展起来的，它的出现是为了克服困扰传统半导体激光器发展的一个关键问题：如何产生具有基横模高光束质量的高功率激光输出。

垂直外腔面发射激光器(VECSEL)，也被称为半导体碟片激光器(SDL)，是一种相对较新的激光器家族成员。它可以通过改变半导体增益介质中量子阱的材料组分和厚度来设计发射波长，结合腔内倍频可以覆盖从紫外到远红外的广泛波长范围，在实现高功率输出的同时保持低发散角圆形对称激光光束。激光谐振腔由增益芯片底层DBR 结构和外部输出耦合镜构成。这种独特的外部谐振腔结构可以在腔内插入光学元件实现倍频、差频、锁模等操作，使VECSEL 成为从生物光子学、光谱学、激光医疗到激光投影等各种应用的理想激光源。

垂直腔面发射半导体激光器的谐振腔垂直于有源区所在平面，其输出光与有源区平面垂直，如图所示。

VCSEL 具有独特的优势，例如体积小、频率高、光束质量较好、腔面损伤阈值大、生产工艺相对简单等。其在激光显示、光通信和光时钟等方面的应用中，展示出十分优异的性能。但是VCSEL 无法获得瓦级以上的大功率激光，因此不能应用于对功率有较高要求的领域中。

VCSEL 的激光谐振腔由有源区上下两侧的半导体材料多层外延结构组成的分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflector, DBR)构成，与EEL 采用解理面构成的激光谐振腔有很大区别。VCSEL 光学谐振腔方向垂直于芯片表面，激光输出也垂直于芯片表面，两侧DBR的反射率也都比EEL解理面要高很多。

VCSEL 的激光谐振腔的长度一般为几微米，远小于EEL的mm量级的谐振腔，腔内光场振荡获得的单程增益较低，虽然可以实现基横模输出，但是输出功率只能达到数毫瓦。VCSEL 输出激光光束的截面轮廓为圆形，而且发散角比边发射型激光器光束发散角小很多。VCSEL实现高功率输出需要增大发光区域提供更多的增益，而发光区域增大会导致输出激光变成多模输出，同时较大的发光区域内很难实现均匀的电流注入，电流注入不均匀会加剧废热积累。

总之，垂直腔面发射类型的半导体激光器(VCSEL)通过合理的结构设计可以输出基模圆形对称光斑，但是在单模输出时输出功率较低。

因此，常有将多个VCSEL集成后输出方式。

四、边缘发射半导体激光器(Edge Emitting Laser, EEL)介绍

想要获得大功率的半导体激光输出，现阶段的技术是采用边缘发射的结构方式。边缘发射半导体激光器的谐振腔由半导体晶体天然的解离面构成，其输出光束是从激光器的前端面发射的。

边发射类型的半导体激光器(Edge Emitting Laser, EEL)可以实现大功率输出，但是其输出光斑呈椭圆形，光束质量差，需要搭配光束整形系统修饰光束形貌。

下图为边发射型半导体激光器的结构示意图。EEL的光学腔是以两个端面作为反射镜，光学腔平行于半导体芯片表面，在半导体芯片的边缘发射激光，可以实现高功率、高速率和低噪声的激光输出。但是EEL 输出的激光光束一般有着不对称的光束横截面和较大的角发散，与光纤或其他光学元件的耦合效率低。

EEL 的输出功率的提升会受到有源区废热积累和半导体表面光学损伤的限制。通过增大波导面积降低有源区废热积累来改善散热，增加出光面积降低光束光功率密度来避免光学损伤，在单横模波导结构中可以实现高达几百毫瓦的输出功率。

对于100mm 量级的波导，单条边发射激光器可以实现几十瓦的输出功率，但是此时波导在芯片的平面上是高度多模的，输出光束的长宽比也达到100：1，需要外加复杂的光束整形系统。

在材料技术和外延生长技术等没有新突破的前提下，提高单条半导体激光芯片输出功率的主要途径是增加芯片发光区域的条宽。然而过高地增加条宽容易产生横向的高次模振荡和丝状振荡，将大大降低出光的均匀性，且输出功率并不随条宽成比例增加，因此单条芯片的输出功率是极其有限的。为了大幅提高输出功率，阵列技术应运而生。该技术通过将多个激光单元集成在同一片衬底上，使各个发光单元在慢轴方向上排列为一维阵列，只要采用光隔离技术将阵列中的各个发光单元隔开，使其互不干扰，形成多孔径激射，即可通过增加集成发光单元的数量来提高整个芯片的输出功率。此种半导体激光芯片即为半导体激光阵列（LDA）芯片，也称为半导体激光bar条。

五、结论

总之，面发射型半导体激光器具有良好的基模圆形对称激光输出，但是输出功率较低，而边缘发射型半导体激光器可以发射高功率输出，但是激光光束为椭圆形。对于高功率操作，两种类型的半导体激光器都会出现多模输出光束，传统的边缘型或面发射型半导体激光器不能同时实现高功率输出和良好的光束质量。

来源：半导体全解微信公众号