激光二极管

激光二极管是什么？

激光二极管是一种半导体器件，它能够将电能直接转化为聚焦的光束。它与LED（发光二极管）相似，但更加聚焦。激光的含义是通过受激辐射的光放大。激光二极管可以发出从红外到紫外光谱的光束。激光二极管非常适合用于光纤通信、CD/DVD读取/录制、激光扫描、激光打印以及条形码阅读器等应用。

图1：激光二极管

在激光二极管中，通常有两层掺杂的砷化镓形成PN结。P端有一个部分反射的表面，而N端则有一个高度反射的表面。P端有一个外部引线，称为阳极，N端有一个外部引线，称为阴极。P型和N型半导体之间的本征未掺杂活性区域负责电子和空穴的复合，从而提高输出功率。激光二极管芯片上还放置了一个额外的PIN光电二极管，用于监测激光二极管的输出并减少反射回腔的光。

它是如何工作的？

图2：受激发射

当激光二极管正向偏置时，PN结中发生电子和空穴的复合。在复合过程中，位于N区导电带中的电子（高能级）落入P区价带（低能级），释放出以光子形式的能量。这些发射的光子在反射表面之间来回反射，撞击其他原子，导致更多的复合并释放出相同相位的光子（受激发射）。当光子的活动在某一时刻变得非常强烈时，一束强激光光将从二极管的部分反射表面发出。这种激光光具有相干性，即所有发射的光子具有相同的频率和相位。

在具有单一频率的非相干光（例如白炽灯）中，光的相位存在偏差。而在相干光（例如激光光）中，光具有相同的频率和相位。

图3：理解相干光与非相干光

图4：激光二极管的P-I特性

制造所用材料：

用于制造激光二极管的直接带隙半导体材料的选择决定了发射光束的波长。例如，InGaN（氮化铟镓）将发出波长为405纳米（可见光）的光束。InGaAsP（磷化铟镓）将发出波长为1654纳米（红外）的光束。

激光二极管的类型：

• 双异质结构激光二极管。
• 量子阱激光二极管。
• 量子级联激光二极管。
• 带间级联激光二极管。
• 分布式布拉格反射激光二极管（DBR）。
• 分布式反馈激光二极管。
• 垂直腔面发射激光二极管（VCSEL）。
• 垂直外腔面发射激光二极管（VECSEL）。
• 外腔二极管激光器。
• 分离限制异质结构激光二极管。

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