半導體激光器原理、類型與光學元件全解析
半導體激光器（Semiconductor Laser Diode）是光電子技術的核心器件，激光器憑借其高效率、小型化及波長多樣性，廣泛應用于通信、醫療、工業加工等領域。從1917年愛因斯坦提出“受激發射”理論開始，半導體激光器迎來蓬勃的發展階段。
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遵循“受激發射”理論，在激光器的中間放置一種叫YAG釔鋁石榴石（形狀看似一根玻璃棒），然后在外面覆蓋一些釹元素，釹元素是一種不穩定的元素，一旦受到刺激就發光，且發出的光很穩定，為1064nm波段光線，通過不斷刺激釹使其不停發光，就形成了激光，刺激釹元素的燈，叫泵浦燈，多個激光器串成一線可以有效把激光能量放大。
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一、半導體激光器工作原理
1. 基本發光機制
半導體激光器的發光也是基于受激發射原理，一般經歷粒子數反轉、 諧振腔反饋及光放大幾個步驟。
粒子數反轉：當向半導體PN結施加正向偏壓時，電子從導帶躍遷至價帶，與空穴復合釋放光子。
諧振腔反饋：由反射鏡構成的光學諧振腔（法布里-珀羅腔）使光子多次反射，觸發受激發射鏈式反應，形成相干激光。
光放大：增益介質（如GaAs、InP）在電流驅動下持續產生光子，直至輸出穩定的激光束。
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2. 核心結構特征
有源區（Active Region）：光子產生與放大的核心區域，厚度僅幾微米。
波導結構：限制光子橫向擴散，提升能量密度（如脊形波導、掩埋異質結）。
熱沉設計：高導熱材料（如銅鎢合金）快速散熱，防止熱致波長漂移。
二、半導體激光器的主要類型
根據結構與應用場景，半導體激光器可分為以下四類：
1. 邊發射激光器（Edge-Emitting Laser, EEL）
激光從芯片側面的解理面輸出，形成橢圓形光斑（發散角約30°×10°），典型波長如808 nm（泵浦）、980 nm（通信）、1550 nm（光纖通信），廣泛用于高功率工業切割、光纖激光器泵浦源、光通信骨干網。
2. 垂直腔面發射激光器（VCSEL）
激光垂直于芯片表面發射，光束圓形對稱（發散角<15°）， 集成分布式布拉格反射鏡（DBR），無需外部反射鏡，廣泛用于3D傳感（如手機人臉識別）、短距光通信（數據中心）、激光雷達（LiDAR）。
3. 量子級聯激光器（Quantum Cascade Laser, QCL）
基于電子在量子阱間的級聯躍遷，波長覆蓋中遠紅外（3–30 μm），無需粒子數反轉，通過子帶間躍遷產生光子，常規用于氣體傳感（如CO?檢測）、太赫茲成像、環境監測等應用領域。
4. 可調諧激光器（Tunable Laser）
可調諧激光器外腔設計（光柵/棱鏡/MEMS反射鏡），波長調諧范圍可達±50 nm，窄線寬（<100 kHz），高邊模抑制比（>50 dB），常用于密集波分復用（DWDM）通信、光譜分析、生物醫學成像等應用。
三、半導體激光器的核心光學元件
半導體激光器的性能高度依賴光學元件的協同作用，如激光窗口片、反射鏡、準直與聚焦透鏡、濾光片與分束片、衍射光學元件。
1. 窗口片（Optical Window）作為激光輸出端的保護屏障，需同時滿足高透過率與抗環境侵蝕。
技術指標：材料透過率：>95%（以GaAs窗口片為例，808 nm透過率可達99%）。
損傷閾值：>10 MW/cm2（防止高功率激光燒蝕）。
適配場景：高功率EEL常采用金剛石窗口片（導熱率2000 W/m·K，散熱優異）。
2. 反射鏡（Mirror）
集成式反射鏡：DBR反射鏡：由數十層AlGaAs/GaAs交替生長，反射率>99.9%（VCSEL核心）。
解理面反射鏡：利用半導體晶體的天然解理面（如InP），反射率約30%，構成法布里-珀羅腔（EEL）。
外置反射鏡：
光柵反射鏡：用于可調諧激光器，波長調諧精度達0.01 nm。
高反鍍膜：介質膜堆棧（如SiO?/Ta?O?）實現>99.5%反射率。
3. 準直與聚焦透鏡
設計挑戰：半導體激光器的高發散角（EEL典型值30°×10°）需通過透鏡矯正為平行光。
解決方案：
非球面透鏡：消除球差，準直效率>90%（如Thorlabs C240TME-B，NA=0.6）。
光纖耦合透鏡組：多透鏡組合（如雙膠合透鏡）將光斑匹配單模光纖（模場直徑9 μm）。
(激埃特原創圖)
4. 濾光片與分束片
光譜優化：帶通濾光片：抑制自發輻射（邊模抑制比提升至>40 dB）。
二向色分束片：反射泵浦光（如808 nm）回諧振腔，提升電光效率。
功率監控：
分束片（90:10）將部分激光導向光電二極管，實時校準輸出功率。
5. 衍射光學元件（DOE）
功能擴展：
光束勻化：將高斯光斑轉換為平頂分布（均勻性>95%），用于激光焊接。
結構光生成：VCSEL陣列+DOE產生數萬點陣，用于3D人臉識別（如iPhone Face ID）。
四、光學元件與激光器性能的關聯
| 性能指標 | 依賴的光學元件 | 技術影響 |
| 輸出功率 | 窗口片抗損傷能力、反射鏡熱穩定性 | 金剛石窗口片可承受kW級連續光功率 |
| 光譜純度 | 濾光片帶寬、DBR反射鏡波長選擇性 | 窄帶濾光片（0.1 nm）用于DWDM系統 |
| 光束質量 | 非球面準直透鏡、DOE光束整形 | M2因子從3.0優化至1.1（近衍射極限） |
| 可靠性壽命 | 耐腐蝕鍍膜、高精度膠合工藝 | Si?N?鍍膜使激光器壽命>10,000小時 |
五、未來技術趨勢
1. 片上集成光學：硅光子學技術將透鏡、光柵直接集成于激光芯片，減少裝配復雜度（如Intel硅光激光器）。
2. 智能光學調控：液晶空間光調制器（LC-SLM）動態校正像差，適應復雜傳輸介質（如生物組織）。
3. 超構表面（Metasurface）：納米級結構替代傳統透鏡，實現亞波長尺度光束操控（如偏振分束超構透鏡）。
半導體激光器是“光與電”的精密結合體，其性能既取決于半導體材料的量子特性，也離不開光學元件的精準調控。從保護激光腔的窗口片到塑造光束的DOE，每一個元件都是光學工程與半導體物理的智慧結晶。未來，隨著微納制造與計算光學的突破，半導體激光器將進一步向智能化、多功能化與極端性能（超短脈沖、超窄線寬）演進，成為下一代光子技術的核心引擎。