半导体激光器的发展及其在激光光谱学中的应用

半导体激光器的发展及其在激光光谱学中的应用
【摘要】 半导体激光器的发展迅速，以其独特的性能及优点获得了广泛的应 用．本文简略地回顾了各种半导体激光器的原理、结构、进展及其在激光光谱学中的 主要应用．给出利用垂直腔面发射激光器得到的氧气的吸收光谱．

0 引言
自从1962年世界上第一台半导体激光器 (Diode Laser)发明问世以来⋯ ，由于其体积小、重 量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点，被 认为是二十世纪人类最伟大的发明之．四十几 年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储 器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激 光光谱学中，不断扩大应用范围，进人 一些其它 类型激光器难以进人的新的应用领域．多功能测试仪| 电容表| 电力分析仪| 谐波分析仪| 发生器| 多用表| 验电笔| 示波表| 电流表| 钩表| 测试器| 电力计| 电力测量仪| 光度计| 电压计| 电流计|

1 半导体激光器的发展
半导体激光器是以半导体材料(主要是化合 物半导体)作为工作物质，以电流注人作为激励 方式的一种小型化激光器．它必须满足三个基本 要素：
(1)p—n结区的电子一空穴复合，提供光增 益；
(2)正向偏置p—n结提供载流子注入．
(3)垂 直于结的两个解理端面形成F—P谐振腔提供反 馈． 世界上的第一台半导体激光器是同质结 的 ，即和普通的p—n结极管一样．这种同质结 激光器有源区的厚度为电子扩散长度量级(微米 量级)，阈值电流密度需达到10 ．AJem!． 此只 收稿日期：2004—11—05 能在液氮温度(77 K)和脉冲状态下工作．
1967年 出现的单异质结半导体激光器由两种不同带隙的 半导体材料薄层所组成，利用高带隙势垒的阻挡 作用，使阈值电流密度降低了一个数量级，并实现 了在室温下脉冲工作，但不久便被1970年出现的 双异质结激光器所取代．双异质结激光器是将窄 带隙并具有高折射率的半导体材料夹在两个宽带 隙并具有低折射率的半导体材料之间，因而叮以 利用带隙势垒和光波导将载流子和光子有效地限 制在有源区内．从而使阈值电流密度又降低了一 个数量级，并实现了室温下连续工作 ．1978年 出现的量子阱激光器是把窄带隙超薄层夹在两个 宽带隙势垒薄层之间，由于有源层的厚度被减少 到同电子德布罗意波长(约为10 rim)差不多，即 量子化尺寸 ．所以量子阱只在平行于阱壁的平 面内有两个自由电子气，提高了注人有源层内载 流子的利用率，降低了阈值电流密度(～5()A／ cm )． 普通结构的F—P腔半导体激光器，虽然在 直流状态下能实现单纵模工作，但在高速调制状 态下也就会发生光谱展宽。难以获得单纵模激光 振荡．1975年的分布反馈(DFB)激光器是一种具 有引人光栅技术的平面结构谐振腔的半导体激光 器 ]，它是由内含布拉格光栅来实现光的反馈 的，光栅分布在整个谐振腔中．与F—P腔半导体 激光器相比，DFB激光器的谐振腔损耗有明显的 波长依存性，因而在单色性和稳定性方面优于一 般的F—P腔半导体激光器． 虽然，用衬底晶体的解理面作F—P谐振腔 的边发射激光二极管在结构优化、制造技术、工作 特性、应用领域等方面都取得了巨大进展，但仍然 存在一些不足．如在芯片解理前，不可能进行单个 器件的基本性能测试；光束发散角过大且呈椭圆 状；不易形成二维光束列阵等．
70年代末期日本 的Iga等人研究的VCSEL(垂直腔面发射激光器) 及其列阵是一种新型的半导体激光器 J．所谓垂 直腔是指激光腔的方向(光子振荡方向)垂直于 半导体芯片的衬底，有源层的厚度即为谐振腔长 度．其结构如图1所示． 出射光 布 格反朗器(DBR) 山射光 图1 VCSEI，激光器的结构示意图 它是在由高与低折射率介质材料交替生长成 的分布布拉格反射器(DBR)之问连续生长单个 或多个量子阱有源区所构成，光束垂直于衬底输 出‘ ．这种激光器在l979年实现了77 K温度下 工作，先后又于1984年和l988年实现了在室温 卜脉冲和连续工作．它与侧面发光的端面发射激 光器在结构上有着很大的不同。端面发射激光器 的出射光垂直于晶片的解理平面．
而VCSEL激光 器的发光束垂直于晶片表面．它优_『端面发射激 光器的表现在： ●易于实现二维平面和光电集成：单个VC— SEL激光器仅几微米大小．有可能在l cm 的芯 片上集成百万个这种微型激光器． ● 圆形光束易于实现与光纤的有效耦合： VCSEL有径向对称的高斯近场分布，因而它们更 容易耦合到光纤或光学器件上 ． ●芯片生长后无须解理、封装即可进行“在 片”实验，制作工艺简单，制作成本低． ●在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工 作； ●光束发散角较小，约为5。． ●有源区尺寸极小，因而可实现低阈值电流． 图2即为温度分别为2O℃ 、25℃ 及3O℃ 时 760nm VCSEL激光器(测O 激光器)的功率曲 线，所用功率计为“EG&G MODEL 460．1 A， 632．8 nm”，其中T=25 oC阈值电流约为3．4mA． 图2 760 nm VCSEL激光器的功率曲线 VCSEL激光器的这些优良的特性使得它在 被提出后的20多年里在许多方面都得到了广泛 的应用，如光存储、激光打印和光通信等，不仅有 重要的科学意义，而且有广泛的应用前景．以下是 包括VCSEL激光器在内的各类半导体激光器的 性能如表1． 由此可见，半导体激光器从最初的低温 (77 K)F运转发展到室温下连续j 作；从同质结 发展成单异质结、双异质结、量子阱(单、多量子 阱)等多种形式；阈值电流密度从10 A／cm 下降 到10A／cm ；制作方法从扩散法发展到液相外延 (LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金 属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延 (CBE)以及他们的各种结合型等J 艺，都取得了 极大的进展．

2 半导体激光器在激光光谱学中的
应用 激光光谱具有广泛的应用范围．如从分子光 谱、等离 物理、高阶谐波产生的利学应用到大气 污染的监测及癌症的诊断等．半导体激光器除了 应用在光纤通信等领域外，在激光光谱学中也有 较多的优势．
2．1 半导体激光器在激光光谱学中的优势
(1)具有可调谐性．这是用于激光光谱学的半 导体激光器的一个重要的特性，其波长可通过改 表1 各类半导体激光器的性能对照表 变温度或改变驱动电流来调谐．
(2)具有高灵敏度．如对于某种气体只要选择 合适的光谱波段就可测出低于10 的浓度．
(3)具有高选择性．半导体激光器的谱线宽度 可限制在多普勒宽度范围内，从而可以减少谱线 重叠，增加选择性．
(4)波长易于调制．半导体激光器可用调制技 术能够减少激光的过量噪声．
(5)光谱纯度高．通常半导体激光器在测定谱 区重复扫描，所记录的吸收光谱是特定时间间隔 内的平均结果，因而信噪比大为提高． 如图3即为“SPECDILAS V一763—0xY” VCSEL所探测的O 吸收光谱(半导体激光器的 工作温度 ：10℃ ，， =4．6 mA，加32 Hz，l0． 6 mV的锯齿波，256次平均)．可以看出，通过改 变工作电流很容易地得到0 的两个吸收峰，无模 式跳跃． 760 88~[R7Q8) 76 1 003[R7R7 W avelength／’nm 图3 用760 nmVCSEL激光器测得O 的吸收峰

2．2 当前主要的半导体激光器产品 半导体激光器由 泛的应用在国际上已形 成了相当规模的产业．Nanoplus，Laser Components GmbH，VERTILAS GmbH等都是当前国际上主要 的半导体激光器的供应者．LASER COMPONENTS GmbH提供了波长为635 ～25I．zm最广的半导体 激光器，其中包括一系列的红外单模半导体激光 器(3～10i．zm)，760 rim、850 rim、794 rim以及现在 已扩展到1．5～2 m之间的单模VCSLE激光器， 以及1．25～1．75Ixm 的DFB半导体激光器等． VERTILAS GmbH是全球主要的VCSEL激光器供 应者，这些VCSEL激光器的波长范围为1．3～ 21xm，可调谐波长范围为3 Dm，主要用于光纤通 信技术及气体监测．由于"VCSE1 激光器和DFB 激光器能够实现单纵模特性．因此它们常应用在 激光光谱学中尤其是气体的测量中．

2．3 半导体激光器在实际中的具体应用 由于半导体激光器所特有的优势在涉及能 量、环境等领域的应用上引起了人们的关注．以下 则为半导体激光器在燃烧参数、火山气体以及汽 车尾气等监测中的应用． Ulf Gustfsson应用半导体激光吸收光谱技术 采用直接吸收测量技术同时监测了燃烧器中 CH ，H O及O ．该实验是运用基于两个近红外半 导体激光器的差频体系实现的 ．Kai—uwe Pie— ban利用基于760 nmVCSEL激光器的GM70o一 1C传感器快速地测量了汽车排气口气体流体中 的O 浓度 ．A．ROCCO等人利H]在1．997 m激 射的单模DFB半导体激光器光语仪分别在Naple 附近的Solfatara火山和意大利Eolian 81·chipelago 的Vulcano Island监测了火山 体中的H，O和 CO! ．所测得的H O和CO 浓度的小精确度为 1％ 到3％ “ ．Philip A．Ma n,in利 近幻．外DFB半 导体激光器装置遥感监测了路面f 汽车尾气中的 c0和c0 气体 坦 ．该装置的扣描周期为1 s，在 1h内可测取3600个车辆，效率极高．J—Ph．Bes— l368．6nm．1651．0 nm和1742．4 nlTI同时探测了 H O、CH 及HC1气体，测得的结果表明三者的灵 敏度分别为0．3×10～，0．4 X 10～，1×10 L” ． 由此可见，半导体激光器具有高灵敏度、高选 择性、快的检测速度和现场同时测定能力，是气体 微量成分探测的非常有吸引力的工具，因此得到 了飞速的发展．

3 结论
综上所述，由于半导体激光器的体积小、输入 能量低、寿命较长、易于调制以及价格低廉等优 点，使得它已在激光技术中占有显赫的地位，它的 成功应用已遍及电子学以及激光光谱学等许多重 要领域．其中VCSEL型半导体激光器，由于单纵 模、波长可连续调谐、无模式跳跃、波长分布范围 广等特点，很适合各种气体的激光光谱学研究．