激光二極管本質(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管，按照PN結(jié)材料是否相同，可以把激光二極管分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)（SH）、雙異質(zhì)結(jié)（DH）和量子阱（QW）激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)，是目前市場(chǎng)應(yīng)用的主流產(chǎn)品。

起源

激光的產(chǎn)生

在講激光產(chǎn)生機(jī)理之前，先講一下受激輻射。在光輻射中存在三種輻射過程，

一是處于高能態(tài)的粒子自發(fā)向低能態(tài)躍遷，稱之為自發(fā)輻射;

二是處于高能態(tài)的粒子在外來(lái)光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，稱之為受激輻射;

三是處于低能態(tài)的粒子吸收外來(lái)光的能量向高能態(tài)躍遷稱之為受激吸收。

自發(fā)輻射，即使是兩個(gè)同時(shí)從某一高能態(tài)向低能態(tài)躍遷的粒子，它們發(fā)出光的相位、偏振狀態(tài)、發(fā)射方向也可能不同，但受激輻射就不同，當(dāng)位于高能態(tài)的粒子在外來(lái)光子的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，發(fā)出在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面與外來(lái)光子完全相同的光。在激光器中，發(fā)生的輻射就是受激輻射，它發(fā)出的激光在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面完全一樣。任何的受激發(fā)光系統(tǒng)，即有受激輻射，也有受激吸收，只有受激輻射占優(yōu)勢(shì)，才能把外來(lái)光放大而發(fā)出激光。而一般光源中都是受激吸收占優(yōu)勢(shì)，只有粒子的平衡態(tài)被打破，使高能態(tài)的粒子數(shù)大于低能態(tài)的粒子數(shù)(這樣情況稱為離子數(shù)反轉(zhuǎn))，才能發(fā)出激光。

 激光二極管結(jié)構(gòu)示意圖

產(chǎn)生激光的三個(gè)條件是:實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件。產(chǎn)生光的受激發(fā)射的首要條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在半導(dǎo)體中就是要把價(jià)帶內(nèi)的電子抽運(yùn)到導(dǎo)帶。為了獲得離子數(shù)反轉(zhuǎn)，通常采用重?fù)诫s的P型和N型材料構(gòu)成PN結(jié)，這樣，在外加電壓作用下，在結(jié)區(qū)附近就出現(xiàn)了離子數(shù)反轉(zhuǎn)-在高費(fèi)米能級(jí)EFC以下導(dǎo)帶中貯存著電子，而在低費(fèi)米能級(jí)EFV以上的價(jià)帶中貯存著空穴。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件，但不是充分條件。要產(chǎn)生激光，還要有損耗極小的諧振腔，諧振腔的主要部分是兩個(gè)互相平行的反射鏡，激活物質(zhì)所發(fā)出的受激輻射光在兩個(gè)反射鏡之間來(lái)回反射，不斷引起新的受激輻射，使其不斷被放大。只有受激輻射放大的增益大于激光器內(nèi)的各種損耗，即滿足一定的閾值條件:

P1P2exp(2G - 2A) ≥ 1

(P1、P2是兩個(gè)反射鏡的反射率，G是激活介質(zhì)的增益系數(shù)，A是介質(zhì)的損耗系數(shù)，exp為常數(shù))，才能輸出穩(wěn)定的激光，另一方面，激光在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射，只有這些光束兩兩之間在輸出端的相位差Δф =2qπ q=1、2、3、4。時(shí)，才能在輸出端產(chǎn)生加強(qiáng)干涉，輸出穩(wěn)定激光。設(shè)諧振腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，激活介質(zhì)的折射率為N，則

Δф=(2π/λ)2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，

上式可化為f=qc/2NL該式稱為諧振條件，它表明諧振腔長(zhǎng)度L和折射率N確定以后，只有某些特定頻率的光才能形成光振蕩，輸出穩(wěn)定的激光。這說明諧振腔對(duì)輸出的激光有一定的選頻作用。

激光二極管簡(jiǎn)介

半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu):垂直于PN結(jié)面的一對(duì)平行平面構(gòu)成法布里--珀羅諧振腔，它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面，也可以是經(jīng)過拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對(duì)粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。

半導(dǎo)體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復(fù)合。當(dāng)半導(dǎo)體的PN結(jié)加有正向電壓時(shí)，會(huì)削弱PN結(jié)勢(shì)壘，迫使電子從N區(qū)經(jīng)PN結(jié)注入P區(qū)，空穴從P區(qū)經(jīng)過PN結(jié)注入N區(qū)，這些注入PN結(jié)附近的非平衡電子和空穴將會(huì)發(fā)生復(fù)合，從而發(fā)射出波長(zhǎng)為λ的光子，其公式如下:

λ = hc/Eg ⑴

式中:h-普朗克常數(shù); c-光速; Eg-半導(dǎo)體的禁帶寬度。

上述由于電子與空穴的自發(fā)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過半導(dǎo)體時(shí)，一旦經(jīng)過已發(fā)射的電子-空穴對(duì)附近，就能激勵(lì)二者復(fù)合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會(huì)形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí)，就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光--激光，這就是激光二極管的簡(jiǎn)單原理。

應(yīng)用

隨著技術(shù)和工藝的發(fā)展，多層結(jié)構(gòu)。

常用的激光二極管有兩種:①PIN光電二極管。它在收到光功率產(chǎn)生光電流時(shí)，會(huì)帶來(lái)量子噪聲。②雪崩光電二極管。它能夠提供內(nèi)部放大，比PIN光電二極管的傳輸距離遠(yuǎn)，但量子噪聲更大。為了獲得良好的信噪比，光檢測(cè)器件后面須連接低噪聲預(yù)放大器和主放大器。

半導(dǎo)體激光二極管的工作原理，理論上與氣體激光器相同。

常用參數(shù)

⑴波長(zhǎng):即激光管工作波長(zhǎng)，可作光電開關(guān)用的激光管波長(zhǎng)有635nm、650nm、670nm、
激光二極管
激光二極管
690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

⑵閾值電流Ith :即激光管開始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對(duì)一般小功率激光管而言，其值約在數(shù)十毫安，具有應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至10mA以下。

⑶工作電流Iop :即激光管達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流，此值對(duì)于設(shè)計(jì)調(diào)試激光驅(qū)動(dòng)電路較重要。

⑷垂直發(fā)散角θ⊥:激光二極管的發(fā)光帶在垂直PN結(jié)方向張開的角度，一般在15˚~40˚左右。

⑸水平發(fā)散角θ∥:激光二極管的發(fā)光帶在與PN結(jié)平行方向所張開的角度，一般在6˚~ 10˚左右。

⑹監(jiān)控電流Im :即激光管在額定輸出功率時(shí)，在PIN管上流過的電流。

激光二極管在計(jì)算機(jī)上的光盤驅(qū)動(dòng)器，激光打印機(jī)中的打印頭，條形碼掃描儀，激光測(cè)距、激光醫(yī)療，光通訊，激光指示等小功率光電設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，在舞臺(tái)燈光、激光手術(shù)、激光焊接和激光武器等大功率設(shè)備中也得到了應(yīng)用。

工作原理

晶體二極管為一個(gè)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。

當(dāng)外界有正向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。

當(dāng)外界有反向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無(wú)關(guān)的反向飽和電流I0。

當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時(shí)，p-n結(jié)空間電荷層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。

導(dǎo)電特性

二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦浴Ｔ陔娐分校�電流只能從二極管的正極流入，負(fù)極流出。下面通過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)說明二極管的正向特性和反向特性。

激光二極管

1·正向特性

在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負(fù)極接在低電位端，二極管就會(huì)導(dǎo)通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時(shí)，二極管仍然不能導(dǎo)通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值(這一數(shù)值稱為"門檻電壓"，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V)以后，二極管才能直正導(dǎo)通。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變(鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V)，稱為二極管的"正向壓降"。

2·反向特性

在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負(fù)極接在高電位端，此時(shí)二極管中幾乎沒有電流流過，此時(shí)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時(shí)，仍然會(huì)有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。當(dāng)二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值，反向電流會(huì)急劇增大，二極管將失去單方向?qū)щ娞匦裕�這種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。激光二極管的注入電流必須大于臨界電流密度，才能滿足居量反轉(zhuǎn)條件而發(fā)出激光。臨界電流密度與接面溫度有關(guān)，并且間接影響效益。高溫操作時(shí)，臨界電流提高，效益降低，甚至損壞組件。

激光二極管的簡(jiǎn)單檢測(cè)

激光二極管工作時(shí)發(fā)出的紅光波長(zhǎng)大約在６００ｎｍ左右，可用于激光打印機(jī)、ＣＤ機(jī)、條形碼閱讀器等設(shè)備上。激光二極管的符號(hào)如附圖所示。從圖中可知，激光二極管由兩部分構(gòu)成，一部分是激光發(fā)射部分ＬＤ，另一部分為激光接收部分ＰＤ。ＬＤ和ＰＤ兩部分又有公共端點(diǎn)ｂ，公共端一般同管子的金屬外殼相連，所以激光二極管實(shí)際上只有三個(gè)腳ａ、ｂ、ｃ。檢測(cè)和判斷激光二極管可按如下三個(gè)步驟進(jìn)行。
　　１．區(qū)分ＬＤ和ＰＤ。 用萬(wàn)表的Ｒ×１ｋ擋分別測(cè)出激光二極管三個(gè)引腳兩兩之間的阻值，總有一次兩腳間的阻值大約在幾千歐姆左右，這時(shí)黑表筆所接的一端是ＰＤ陽(yáng)極端，紅表筆所接的引腳為公共端，剩下的一個(gè)引腳為ＬＤ陰極端，這樣就區(qū)分出了ＰＤ部分（圖中的ｂｃ部分）和ＬＤ部分（圖中的ａｂ部分）。
　　２．檢測(cè)ＰＤ部分。 激光二極管的ＰＤ部分實(shí)質(zhì)上是一個(gè)光敏二極管，用萬(wàn)用表檢測(cè)方法如下：用Ｒ×１ｋ擋測(cè)其阻值，若正向電阻為幾千歐姆，反向電阻為無(wú)窮大，初步表明ＰＤ部分是好的；若正向電阻為０或?yàn)闊o(wú)窮大，則表明ＰＤ部分已壞。若反向電阻不是無(wú)窮大，而有幾百千歐或上千千歐的電阻，說明ＰＤ部分已反向漏電，管子質(zhì)量變差。
　　３．檢測(cè)ＬＤ部分。  用萬(wàn)用表的Ｒ×１ｋ擋測(cè)ＬＤ部分的正向阻值，即黑表筆接公共端ｂ，紅表筆接ａ腳，正向阻值應(yīng)在１０ｋΩ～３０ｋΩ之間，反向阻值應(yīng)為無(wú)窮大。若測(cè)得的正向阻值大于５５ｋΩ，反向阻值在１００ｋΩ以下，表明ＬＤ部分已嚴(yán)重老化，使用效果會(huì)變差。