激光二极管英文(wén)：laser diodes
定义：以载流p-n结為(wèi)增益介质的半导體(tǐ)激光器。
激光二极管是電(diàn)泵浦的半导體(tǐ)激光器，其中增益是由p-n结或p-i-n结构中的電(diàn)流产生的。在这种异质结构中，電(diàn)子和空穴会发生复合，释放的能(néng)量為(wèi)光子能(néng)量的倍数。这一过程可(kě)以是自发的，也可(kě)以由入射光子激发，结果会得到光學(xué)放大，如果在激光器谐振腔中采用(yòng)光學(xué)反馈就可(kě)以实现激光器振荡。在词条半导體(tǐ)激光器中有(yǒu)更详细的关于半导體(tǐ)中激光放大过程的描述。
二极管激光器是采用(yòng)一个或多(duō)个激光二极管的激光器。
大部分(fēn)半导體(tǐ)激光器都是基于激光二极管的基础上的，但是也有(yǒu)一些光泵浦的半导體(tǐ)激光器，它们不需要二极管结构，因此不属于二极管激光器。
激光二极管通常為(wèi)边发射激光器，镀膜的或者不镀膜的半导體(tǐ)薄膜的端面可(kě)以形成激光器谐振腔。它们通常為(wèi)双异质结结构，可(kě)以将产生的载流子限制在很(hěn)窄的區(qū)域，同时也可(kě)以作為(wèi)光场的波导（双层限制）。電(diàn)流也限制在同一个區(qū)域，有(yǒu)时需要采用(yòng)隔离栅。这样可(kě)以得到较低的阈值功率和高的效率。有(yǒu)源區(qū)通常很(hěn)薄，可(kě)以看作是一个量子阱。有(yǒu)时会采用(yòng)量子点。
目前的LDs通常是表面发射类型，即发射方向垂直于薄膜表面，增益是由多(duō)个量子阱提供的。
有(yǒu)很(hěn)多(duō)不同类型的LDs，工作在不同的输出功率、波長(cháng)、带宽和其它性质下：
1.小(xiǎo)的边发射LDs产生几毫瓦到0.5个瓦特之间的光束，并且光束质量很(hěn)高。输出光束可(kě)能(néng)发射到自由空间或者耦合到单模光纤中。这种激光器可(kě)以是折射率导引（利用(yòng)波导结构使光在LD中传播）或者增益导引（通过偏性放大使光束非常窄）。
2.类似于具有(yǒu)短的谐振腔的分(fēn)布反馈激光器（DFB激光器）或者分(fēn)布布拉格反射激光器（DBR激光器）的小(xiǎo)的LDs可(kě)以实现单频工作，有(yǒu)是的还具有(yǒu)波長(cháng)可(kě)调谐性。
3.外腔二极管激光器包含激光二极管作為(wèi)長(cháng)的激光谐振腔的增益介质，还具有(yǒu)其它的光學(xué)元件，例如激光反射镜或者衍射光栅。它们也是波長(cháng)可(kě)调的，并且辐射带宽很(hěn)小(xiǎo)。
4.大面积激光二极管（也称為(wèi)宽条形激光二极管，宽条形激光器或者高亮度激光二极管）的输出功率有(yǒu)几瓦特。其光束质量比低功率LDs低很(hěn)多(duō)，但是比二极管線(xiàn)阵高。锥形大面积激光器具有(yǒu)更好的光束质量和亮度。
5.平板耦合光波导激光器（SCOWLs）在一个较大的波导结构中包含一个多(duō)量子阱增益區(qū)域，可(kě)以产生具有(yǒu)衍射极限的瓦特量级的光束，形状為(wèi)圆形。
6.高功率二极管線(xiàn)阵包含一列大面积发射器，产生较低光束质量的几十瓦特的光束。除了其功率更高之外，它的亮度比大面积LD要低。
7.大功率堆积二极管線(xiàn)阵（参阅二极管堆）是多(duō)个二极管線(xiàn)阵堆积在一起的，可(kě)以产生几百甚至几千瓦特的超高功率。
8.表面发射半导體(tǐ)激光器（VCSELs）通常产生几毫瓦高光束质量的光。还有(yǒu)外腔发射半导體(tǐ)激光器（VECSELs）可(kě)以产生更高功率但是仍然具有(yǒu)很(hěn)好光束质量的光。
激光二极管可(kě)以将光束辐射到自由空间中，也有(yǒu)很(hěn)多(duō)LDs存在光纤耦合的形式。后者在应用(yòng)中特别方便，例如，作為(wèi)光纤激光器和光纤放大器的泵浦光源。
几乎所有(yǒu)的電(diàn)泵浦半导體(tǐ)激光器都是激光二极管，量子级联激光器是一个例外。其它的半导體(tǐ)激光器是利用(yòng)光學(xué)泵浦，因此不需要p-n结，它们可(kě)以由不掺杂的半导體(tǐ)材料得到。
激光二极管的辐射波長(cháng)主要由激光活性半导體(tǐ)材料的带隙所决定：即光子能(néng)量接近于带隙能(néng)量。由于存在非常多(duō)的半导體(tǐ)材料，因此该激光器可(kě)以覆盖很(hěn)大的光谱區(qū)域。尤其是存在很(hěn)多(duō)三元或者四元半导體(tǐ)混合物(wù)，可(kě)以通过改变混合物(wù)组分(fēn)在很(hěn)大范围内调节半导體(tǐ)混合物(wù)的带隙能(néng)量。例如，例如在AlxGa1−xAs中提高铝的含量可(kě)以提高带隙能(néng)量，因此辐射波長(cháng)变短。图1给出了典型的材料系统的概括。
大多(duō)数激光二极管辐射的光在近红外光谱區(qū)域，也有(yǒu)的辐射可(kě)见光（尤其是红色或者蓝色）或者中红外光。
大多(duō)数LDs辐射光束的光谱带宽在几个纳米。该带宽来自于多(duō)个纵的（也可(kě)能(néng)是横的）谐振腔模式（多(duō)模激光二极管）的同时振荡。其它的LDs工作在单谐振腔模式上（参阅单频工作），尤其是分(fēn)布反馈激光器，因此辐射带宽窄很(hěn)多(duō)，一般線(xiàn)宽在MHz范围。采用(yòng)外腔和利用(yòng)参考腔的窄带光學(xué)反馈（参阅激光器稳定）可(kě)以进一步使線(xiàn)宽变窄。
多(duō)模LDs的辐射波長(cháng)（光谱的中心频率）通常与温度有(yǒu)关，温度没提高1 K，波長(cháng)通常提高约0.3 nm，由于峰值增益与波長(cháng)有(yǒu)关。（温度会影响价带和导带的粒子数分(fēn)布。）因此如果激光晶體(tǐ)的吸收带宽很(hěn)窄（例如，只有(yǒu)几个纳米），需要稳定固态激光器中二极管泵浦的p-n结处的温度。也可(kě)以通过改变p-n结处的温度来调谐辐射波長(cháng)。
单模二极管辐射波長(cháng)的温度系数低很(hěn)多(duō)。如果应用(yòng)到扫描光谱學(xué)中时，波長(cháng)通常是工作在激光间隙进行扫描的。在每个脉冲作用(yòng)时温度都会升高，引起光學(xué)频率减小(xiǎo)。外腔激光器的波長(cháng)可(kě)以通过旋转激光腔中的衍射光栅来改变。
激光二极管具有(yǒu)很(hěn)高的電(diàn)光转化效率，典型值為(wèi)50%，有(yǒu)时甚至大于60%。（关于如何提高高功率LDs的效率使其大于70%的项目目前也在发展。）效率主要受一些因素的限制，例如電(diàn)阻，载流子泄漏，散射，吸收（尤其是在掺杂區(qū)域）和自发辐射。当激光二极管辐射波長(cháng)在940-980 nm波長(cháng)范围时效率是最高的（可(kě)以用(yòng)来泵浦掺镱高功率光纤装置），而808 nm的二极管效率则不是很(hěn)高。
有(yǒu)些低功率LDs可(kě)以辐射相对较高光束质量的光束（尽管其光束发散角比较大需要在准直过程中仔细处理(lǐ)）。但是，大多(duō)数高功率LDs具有(yǒu)相对比较低的光束质量，还有(yǒu)其他(tā)不是很(hěn)理(lǐ)想的性质，例如光束发散角大，光束半径和两个垂直方向光束质量很(hěn)高的不对称性，还有(yǒu)像散现象。光束整形光學(xué)中找到合适的设计非常重要，尺寸要小(xiǎo)，易于加工和排列，保持光束质量并且避免产生干涉条纹，消除像散，具有(yǒu)较低损耗等。通常二极管激光光束整形光學(xué)涉及到准直透镜，孔径和变形棱镜。
由于激光二极管辐射的光是線(xiàn)偏振的，因此可(kě)以采用(yòng)一个偏振分(fēn)束器将两二极管输出光合在一起，这样就可(kě)以得到具有(yǒu)两倍于单个二极管功率、与单个二极管光束质量相同的非偏振的光（偏振复用(yòng)）。还可(kě)以采用(yòng)二色性反射镜将两个波長(cháng)稍微不同的LDs的光束合在一起（参阅光谱合束）。光束合成更系统的方案可(kě)以将很(hěn)多(duō)发射器发出的具有(yǒu)很(hěn)好光束质量的光合在一起。
常见的LDs的工作模式為(wèi)连续光工作，但很(hěn)多(duō)LDs也可(kě)以产生光學(xué)脉冲。大部分(fēn)情况下，脉冲产生的原理(lǐ)是增益开关，即通过开光泵浦電(diàn)流调制光學(xué)增益。小(xiǎo)的二极管也可(kě)以是锁模的，产生皮秒(miǎo)甚至飞秒(miǎo)脉冲。锁模激光二极管可(kě)能(néng)是外腔装置或者单片式的，后者通常包含工作在不同電(diàn)流下的部分(fēn)。
不同种类的二极管具有(yǒu)不同的噪声特性。当大于弛豫振荡频率时（通常几个GHz），强度噪声通常是接近于量子极限的。但是，有(yǒu)些工作在低温下的低功率LDs甚至具有(yǒu)很(hěn)显著的振幅压缩，即强度噪声可(kě)以小(xiǎo)于散粒噪声极限。所有(yǒu)的半导體(tǐ)激光器中，强度噪声都与相位噪声相互关联。
如上所述，線(xiàn)宽值是非常不同的。多(duō)模LDs具有(yǒu)很(hěn)多(duō)与跳模有(yǒu)关的附加噪声。不同模式的噪声可(kě)以是非常反相关的，因此单个模式的强度噪声比总功率的噪声强很(hěn)多(duō)。这会得到一个很(hěn)重要的结果就是，如果二极管線(xiàn)阵在某一孔径被截断或者被光谱滤波，那么强度噪声反而会增加。二极管驱动器也会对激光器噪声有(yǒu)贡献，因此即使電(diàn)流涨落非常快，它也会转化成产生光的强度和相位涨落。
当工作条件比较适宜时，二极管激光器的寿命在上万个小(xiǎo)时。但是有(yǒu)很(hěn)多(duō)其它的因素会使寿命缩短，例如工作在过高的温度（例如，由于冷却不充足），電(diàn)流或電(diàn)压太高，例如来自于静電(diàn)放電(diàn)或者不合理(lǐ)设计的激光驱动器。
还有(yǒu)一些失败的工作模式，包括光學(xué)灾变损伤（COD）（在几毫秒(miǎo)或者更短时间内器件完全损坏）和稳步下降。除了工作条件之外，还有(yǒu)很(hěn)多(duō)设计因素会影响寿命。例如，如果采用(yòng)无铝的有(yǒu)源區(qū)可(kě)以得到更好的稳定性和寿命，在光學(xué)表面的特定涂层（或者一些附件的半导體(tǐ)涂层）也非常有(yǒu)用(yòng)。有(yǒu)些改进的二极管设计并没有(yǒu)被公开，是由于制造者要保持技术上的优势。
為(wèi)了提高器件寿命，LDs通常工作在较低的電(diàn)流下（输出功率也较低）。适当降低功率由于具有(yǒu)较低的结電(diàn)压，可(kě)以提高電(diàn)光转换效率，然而过度降低则会降低效率。
激光二极管可(kě)以应用(yòng)到很(hěn)多(duō)方面。下面给出一些重要的例子：
1.低功率的具有(yǒu)较高光束质量的单模LDs可(kě)以用(yòng)作在CD-ROMs,DVDs,蓝光Discs和全息数据存储介质中进行数据存储和读取。这些激光器可(kě)以工作在不同的光谱區(qū)域，从红外光到蓝光和紫光區(qū)域，波長(cháng)越短，存储密度越大。
2.单模LDs在光纤通信中应用(yòng)非常广泛，尤其是作為(wèi)数据发射器。有(yǒu)些情况下，数据调制可(kě)直接由驱动電(diàn)流来实现。
3.单模LDs通常可(kě)以应用(yòng)到光谱學(xué)中，采用(yòng)尺寸非常小(xiǎo)的低功率测量器件。
4.小(xiǎo)的红光激光二极管（参阅红光激光器）可(kě)以作為(wèi)激光筆(bǐ)。
5.采用(yòng)调制的低功率二极管激光器可(kě)以进行距离测量。激光打印机、扫描仪和条形码读取器采用(yòng)的也是类似的激光器。
6.大面积激光二极管，二极管線(xiàn)阵和二极管堆可(kě)用(yòng)作固态激光器的二极管泵浦。光纤耦合的大面积LDs可(kě)以作為(wèi)光纤放大器的泵浦光源。
7.二极管線(xiàn)阵的辐射可(kě)以进行医學(xué)诊断（例如治疗前列腺肿大）和皮肤病治疗。
8.高功率的二极管堆可(kě)以直接用(yòng)于材料加工，这时不需要高的光束质量，例如用(yòng)于表面加固，焊接和锡焊。与其它高功率激光器相比，它们更加简单，并且具有(yǒu)更高的電(diàn)光转化效率。
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