激光二极管

激光二极管（又名半导体激光器）是与发光二极管（LED）相关的半导体元件，但它产生激光辐射。

在激光二极管n中，重掺杂的p-n结在高电流密度下运行。 半导体材料的选择决定了发射波长，涵盖从红外到紫外的光谱。

光的发射是由电子和空穴在 p 和 n 掺杂区域之间的过渡处的复合过程引起的。 组件的端面是部分反射的，因此形成了一个光学谐振器，其中可以形成驻波。 如果存在粒子数反转，受激发射可能成为主要的辐射过程。 激光二极管随后发射激光辐射。

粒子数反转的产生发生在激光二极管中，通过电泵浦，正向的直流电确保电子和空穴的恒定供应。激光器开始工作的泵浦电流也称为激光阈值或阈值电流 Ith 。

大多数激发光二极管n是边缘发射器，光在靠近表面的断裂边缘离开晶体，横向于流动。 取决于波长 30% 到 80% 的功率损耗会加热晶体，必须通过适当的冷却来消散。 散热器用于中等功率（500 mW），热管和液体冷却用于更高的中等功率。

过热的风险是每个发射器可达到的辐射功率的一个限制因素。为了获得更高的功率，几个相邻的二极管在一个带状芯片中以电气方式并联运行。 通过组合各个光束可以实现更高的总输出。 这种由多个二极管并排放置在芯片上的排列称为条形。 由于采用共同的制造工艺，条形的 10 到 25 个独立发射器的电气行为相同，因此可以像更大的二极管一样并联运行。 在高达 80 A 的电流下，可在近红外区实现高达 100 瓦的光功率。

由几个这样的棒和由它们制成的二极管激光器组成的堆栈可实现千瓦级的输出。表面发射器 (VCSEL) 的输出较低，但光束质量较好。

激光二极管的效率定义为辐射功率与消耗功率之比。 对于也在不可见红外线或紫外线范围内辐射的二极管，指示发光效率意义不大。

2011 年可实现的效率在 10%（绿色，530-540 nm）、20%（蓝色，440 nm）和 70%（红色和红外线，650 nm）之间。 2012年，蓝光二极管n在TO-56封装（5.6mm）下以1.4W的功耗实现了27%，寿命为10000小时。 生产合适的 InGaN 半导体能够耐受高电流密度的绿色激光材料仍然存在问题。 因此，出于照明目的，用短波蓝光在长波范围内激发合适的磷光体会更便宜。

在电气方面，激光二极管基本上表现得像发光二极管，所以它们必须通电工作。 无法以恒定电压运行。 U/I 特性曲线像半导体二极管一样呈指数曲线。 激光操作从流动方向上的特征电流开始，即阈值电流。 低于此电流，激光二极管会发出类似于发光二极管的非相干辐射。 从阈值电流来看，激光二极管的光输出功率与电流严格成正比。 比例因子称为斜率效率； 它以每安培瓦特为单位给出。

激光二极管通常与光电二极管一起安装在一个共同的外壳中。 光电二极管，在这种情况下也称为监控二极管，光学耦合到激光二极管。 它用作控制电路中的传感器，以使用外部电子电路保持激光二极管的光功率恒定。

由于增加了光电二极管，CD 播放器和激光指示器中使用的激光二极管的外壳具有三个连接。

激光二极管只能承受 3-5 V 范围内的低阻断电压。它们对静电放电也很敏感，通常在运输时短路。 在搬运和安装过程中，必须采取保护措施以防止接头之间产生电压。

单个发射器大约 100 µm 高，500-2000 µm 长，500-1000 µm 宽，有源区高度小于 1 µm。

根据二极管的类型，每个发射器发出的光功率从几百微瓦到超过 10 瓦不等。 为此所需的电流约为每个发射器 0.1-12 A，红外激发光二极管的电压为 1.8-2.2 V。在脉冲操作（所谓的 q-cw 操作）中，甚至可以实现更大的成就。 调制频率最高可达 10 GHz。

激光二极管n既可以工作在多模式工作（激光同时有几种不同的振动模式），也可以工作在单模式工作（只有一种振动模式）。 如果应用需要单模操作，这可以通过结构化半导体材料来实现，例如 DFB（分布式反馈激光器）或 DBR 激光器（分布式布拉格反射激光器），或者通过额外的外部谐振器外腔diode laser, ECDL)：和其他激光器一样，激光二极管n的光谐振腔也可以延伸到有源半导体的长度以外，但由于发散，长度只能很小，折射率高也是一个问题半导体材料，这已经导致其出射表面的高反射。

激光二极管发出的光的频率不仅取决于材料，还取决于温度、泵浦电流以及（如果适用）通过外部谐振器的光反馈。 通过稳定这些参数，可以实现小于 1 兆赫兹的发射光带宽。

泵浦还引起半导体材料折射率的周期性变化，因为这在很大程度上取决于载流子密度。 折射率的变化对应于谐振器的光学长度的变化，而谐振器的几何长度保持不变。 因此，波长发生变化，即。 即激光器改变其发射波长。

激光的加热导致波长变化。 偏移约为 +0.25-0.3 nm/K，由于带隙减小，加热时辐射的xxx值偏移到更长的波长。

断裂面（刻面）对污染极其敏感，因为在辐射离开狭窄活性区的区域中存在非常高的辐射通量密度。 即使没有污染，过大的电流脉冲也会导致刻面的光致热破坏。 这种类型的破坏称为COD（英文灾难性光学损坏）。

激光二极管现在可用于蓝紫色 (405 nm) 和中红外 (14,000 nm) 之间的各种波长。 在 510 nm 和 635 nm 之间的绿色到黄色范围内存在弱点，只有低输出功率是可能的。