激光二極管

激光二極管（又名半導體激光器）是與發光二極管（LED）相關的半導體元件，但它產生激光輻射。

在激光二極管n中，重摻雜的p-n結在高電流密度下運行。 半導體材料的選擇決定了發射波長，涵蓋從紅外到紫外的光譜。

光的發射是由電子和空穴在 p 和 n 摻雜區域之間的過渡處的復合過程引起的。 組件的端面是部分反射的，因此形成了一個光學諧振器，其中可以形成駐波。 如果存在粒子數反轉，受激發射可能成為主要的輻射過程。 激光二極管隨后發射激光輻射。

粒子數反轉的產生發生在激光二極管中，通過電泵浦，正向的直流電確保電子和空穴的恒定供應。激光器開始工作的泵浦電流也稱為激光閾值或閾值電流 Ith 。

大多數激發光二極管n是邊緣發射器，光在靠近表面的斷裂邊緣離開晶體，橫向于流動。 取決于波長 30% 到 80% 的功率損耗會加熱晶體，必須通過適當的冷卻來消散。 散熱器用于中等功率（500 mW），熱管和液體冷卻用于更高的中等功率。

過熱的風險是每個發射器可達到的輻射功率的一個限制因素。為了獲得更高的功率，幾個相鄰的二極管在一個帶狀芯片中以電氣方式并聯運行。 通過組合各個光束可以實現更高的總輸出。 這種由多個二極管并排放置在芯片上的排列稱為條形。 由于采用共同的制造工藝，條形的 10 到 25 個獨立發射器的電氣行為相同，因此可以像更大的二極管一樣并聯運行。 在高達 80 A 的電流下，可在近紅外區實現高達 100 瓦的光功率。

由幾個這樣的棒和由它們制成的二極管激光器組成的堆棧可實現千瓦級的輸出。表面發射器 (VCSEL) 的輸出較低，但光束質量較好。

激光二極管的效率定義為輻射功率與消耗功率之比。 對于也在不可見紅外線或紫外線范圍內輻射的二極管，指示發光效率意義不大。

2011 年可實現的效率在 10%（綠色，530-540 nm）、20%（藍色，440 nm）和 70%（紅色和紅外線，650 nm）之間。 2012年，藍光二極管n在TO-56封裝（5.6mm）下以1.4W的功耗實現了27%，壽命為10000小時。 生產合適的 InGaN 半導體能夠耐受高電流密度的綠色激光材料仍然存在問題。 因此，出于照明目的，用短波藍光在長波范圍內激發合適的磷光體會更便宜。

在電氣方面，激光二極管基本上表現得像發光二極管，所以它們必須通電工作。 無法以恒定電壓運行。 U/I 特性曲線像半導體二極管一樣呈指數曲線。 激光操作從流動方向上的特征電流開始，即閾值電流。 低于此電流，激光二極管會發出類似于發光二極管的非相干輻射。 從閾值電流來看，激光二極管的光輸出功率與電流嚴格成正比。 比例因子稱為斜率效率； 它以每安培瓦特為單位給出。

激光二極管通常與光電二極管一起安裝在一個共同的外殼中。 光電二極管，在這種情況下也稱為監控二極管，光學耦合到激光二極管。 它用作控制電路中的傳感器，以使用外部電子電路保持激光二極管的光功率恒定。

由于增加了光電二極管，CD 播放器和激光指示器中使用的激光二極管的外殼具有三個連接。

激光二極管只能承受 3-5 V 范圍內的低阻斷電壓。它們對靜電放電也很敏感，通常在運輸時短路。 在搬運和安裝過程中，必須采取保護措施以防止接頭之間產生電壓。

單個發射器大約 100 μm 高，500-2000 μm 長，500-1000 μm 寬，有源區高度小于 1 μm。

根據二極管的類型，每個發射器發出的光功率從幾百微瓦到超過 10 瓦不等。 為此所需的電流約為每個發射器 0.1-12 A，紅外激發光二極管的電壓為 1.8-2.2 V。在脈沖操作（所謂的 q-cw 操作）中，甚至可以實現更大的成就。 調制頻率最高可達 10 GHz。

激光二極管n既可以工作在多模式工作（激光同時有幾種不同的振動模式），也可以工作在單模式工作（只有一種振動模式）。 如果應用需要單模操作，這可以通過結構化半導體材料來實現，例如 DFB（分布式反饋激光器）或 DBR 激光器（分布式布拉格反射激光器），或者通過額外的外部諧振器外腔diode laser, ECDL)：和其他激光器一樣，激光二極管n的光諧振腔也可以延伸到有源半導體的長度以外，但由于發散，長度只能很小，折射率高也是一個問題半導體材料，這已經導致其出射表面的高反射。

激光二極管發出的光的頻率不僅取決于材料，還取決于溫度、泵浦電流以及（如果適用）通過外部諧振器的光反饋。 通過穩定這些參數，可以實現小于 1 兆赫茲的發射光帶寬。

泵浦還引起半導體材料折射率的周期性變化，因為這在很大程度上取決于載流子密度。 折射率的變化對應于諧振器的光學長度的變化，而諧振器的幾何長度保持不變。 因此，波長發生變化，即。 即激光器改變其發射波長。

激光的加熱導致波長變化。 偏移約為 +0.25-0.3 nm/K，由于帶隙減小，加熱時輻射的xxx值偏移到更長的波長。

斷裂面（刻面）對污染極其敏感，因為在輻射離開狹窄活性區的區域中存在非常高的輻射通量密度。 即使沒有污染，過大的電流脈沖也會導致刻面的光致熱破壞。 這種類型的破壞稱為COD（英文災難性光學損壞）。

激光二極管現在可用于藍紫色 (405 nm) 和中紅外 (14,000 nm) 之間的各種波長。 在 510 nm 和 635 nm 之間的綠色到黃色范圍內存在弱點，只有低輸出功率是可能的。