半导体激光器的发展历程2.docx

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1、半导体激光器的发展历程2广西师范学院2021年本科毕业论文论文题目半导体激光器的发展历程毕业生：吴伊琴指导教师：王革学科专业：物理学师范目录摘要(1)前言(3)一理论基础及同质结半导体激光器1917-1962(5)1.1激光理念及激光技术的面世(5)1.2早期半导体激光器理念提出与探索1953-1962(7)二异质结半导体激光器1963-1977(10)2.1单异质SH激光器(10)2.2双异质DH激光器(11)三半导体激光器实用领域的探索1980-2005(14)3.1光纤通信与半导体激光器的相辅相成(15)3.2量子阱能带工程技术的引入(18)4.1半导体激光器应用的多样化(21)4.2半

2、导体激光器的将来发展(23)结语(25)参考文献(26)摘要双异质半导体激光器，量子阱技术，应变量子阱激光器，DFB激光器，面发射激光器，大功率激光器等等突破性研究成果的面世，使得半导体激光器已经占据了激光领域市场的大壁江山，以及成为了军事，医疗，材料加工，印刷业，光通信等等领域不可或缺的存在。本文梳理了1917年2020年半导体激光器的发展历程，文中包括了半导体激光器大多研究成果，根据时间线对其进行整理。总的讲来，半导体激光器的发展历程能够分为4个阶段第一理论准备及起步阶段1917-1962。1962年同质结半导体激光器研制成功。尽管同质结半导体激光器没有实用价值，但是它面世是半导体激光器发

3、展历程中重要的标志，其基本理论是后来半导体激光器前进的基础。第二大发展期(1962-1979)长寿命，长波长双异质半导体激光器的面世使得半导体激光器能够知足光纤通信的需求。1978-1979年，国际上关于通过改良器件构造提高器件稳定性，降低损耗的研究成果非常多。由于对AlGaAsGaAs激光器特性的不断进步的追求，使得这个时期出现了很多新的制造工艺，新的构造理念，为之后发展长波长半导体激光器留下了充足的技术支持。第三实用性的初步探索1980-1990在这期间半导体激光器的实用领域主要集中于光纤通信领域，由于光纤通信技术的不断发展，使得半导体激光器的发展也极其迅猛。第四实用的多样化(1990-2

4、020)由于量子阱技术，应变量子阱激光器，DFB激光器，面发射激光器，大功率激光器等等突破性研究成果的面世，半导体激光器的实用领域覆盖了军事，医疗，材料加工，印刷业，光通信等等领域。本文根据时间线将半导体激光器的发展历程梳理了一遍，使得半导体激光器的发展脉络愈加明晰，时候其发展历程愈加详细，明了。关键词：激光半导体激光器应用多样化发展方向前言激光，英文名为“laser是20世纪以来，目前在人类科技进步史上与原子能，计算机，半导体并驾齐驱的重大发明。其发展动向对于人类的科技，生活等等方面有着重要的影响。半导体激光器就是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器的总称。半导体激光器具有体积小，重量轻

5、；波长范围广，相干性高，适宜大量生产，半导体激光器在20世纪80年代初期其主要应用领域是在光纤通信技术方面的，并且在如今半导体激光器仍然是光通信领域不可或缺，至关重要的存在。20世纪90年代开场，由于光电子技术的不断成熟，各个领域对于光电子技术需求越来越高，使得光电子技术的实用领域不断扩大，半导体激光器在各个领域里的用武之地也越多。并且随着对半导体激光器的研究不断深化，半导体激光器已经占据了激光领域市场的大壁江山，以及成为了军事，医疗，材料加工，印刷业，光通信等等领域不可或缺的存在。笔者在查询半导体激光器的发展历程是发现固然关于半导体激光器发展的文献较多，但是这些文献中关于半导体激光器的发展时

6、间线不够明晰，而且多数是根据大功率，量子阱等等方面分开描绘，对于半导体激光器总体的发展历程的描绘不够明晰，已有的文献对于半导体激光器的发展框架的描绘较为明晰，但是还是会有一些不够明晰的点：1.1977年以前半导体激光器早期的发展方向是什么？2.是光纤通信技术成就了半导体激光器还是半导体激光器成就了如今的光通信技术？3.半导体激光器的研究成果有着什么样的意义？为了回答这些问题笔者查阅了很多相关文献，将1917年-2020年期间半导体激光器的发展历程重新梳理，根据时间线整理好争取构成一条较为明晰发展脉络。一理论基础及同质结半导体激光器1917-19621.1激光理念及激光技术的面世1.1.1激光理

7、念激光，英文名为“laser。源于LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation这句话中由每个单词首字母组成的缩写词，意思是“通过辐射的受激辐射光放大。作为20世纪以来，目前在人类科技进步史上与原子能，计算机，半导体并驾齐驱的重大发明，激光的很多特性对于社会进步有着宏大的影响。激光被人们称为20世纪最亮的光，最准的尺，最快的刀，由此可看出激光亮度激光，定向发光能力极强，能量之大等等特性。概括讲来激光有四大特性，即高亮度，高相干性，高方向性，高单色性。也是激光的这些特性使它拥有了其他普通光源不可企及的能力。也正是由于这些特性，现如今激光在医学，

8、军事，通信，快速成型技术，显示技术，材料加工等领域获得了宏大的成就，也是由于激光的便利，使得其在社会中得到了快速的普及，逐步浸透进我们日常的工作及生活中。1.1.2激光技术的发展爱因斯坦是在1916年发布了（关于辐射的量子理论）一文。在该文中受激辐射理论指出，处于高能态的粒子遭到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。“受激辐射理论为激光提供了物理基础。但是由于当时并没有关于光量大化的实际应用的科学探索，所以受激辐射的概念在当时没有得到重视，爱因斯坦本人也没有对其进行进一步的研究，此后大约40年的时间里都没有人进行

9、激光技术的研究工作。但是，在二战期间，由于雷达在战争中的广泛应用及重大作用，怎样提高雷达的性能成为了当时国际的研究重点，也正是如此，受激辐射这一概念得到了相应的关注，开场有科学家进行激光技术的相应研究。利用受激辐射来放大电磁波的概念被提出。1953年美国物理学家汤斯CharleshardTownes和阿瑟?肖洛制成了激光器的前身：第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。该机器的成功研制激发了人们对于激光技术更深层次的研究。汤斯CharleshardTownes和阿瑟?肖洛Schawlow在1958年成功的观测到激光现象，并且在同年12月，美国物理学家汤斯CharleshardTownes

10、与阿瑟?肖洛A.L.Schawlow在（物理评论）上发表了（红外与光学激射器）一文，提出了“激光原理以及“激光的概念。他们指出在物质遭到与其分子固有振荡频率一样的能量激发时，会产生一种不发散的强光，这束强光就是激光。此后对于激光，激光器的研究正式进入正轨。1958年美国物理学家汤斯CharleshardTownes与阿瑟?肖洛A.L.Schawlow提出了开放式光谐振腔的概念，抛弃了之前的封闭式谐振腔的形式，对于激光以及激光器的研究又是一个新的阶段。此后在科学家们对于激光的不断改良和创新中，激光的研究成果不断更新，终于在1960年5月美国科学家梅曼T.H.Maiman获得了人类史上的第一束激光

11、长0.6943m，并且在同年7月成功研制出世界上第一台激光器红宝石脉冲激光器固体激光器。从此“激光技术正式走向世界科学的舞台。1.2早期半导体激光器理念提出与探索1953-19621.2.1理论基础要想获得激光，选择适宜的激光材料是至关重要的。不同的激光工作物质激光材料构成的激光器被分为不一样的类型，有着不同的特性。而半导体由于其独特的特性，早在1953年就已经有人对其能否能够产生激光进行了一定的讨论及研究，此后关于半导体材料的受激激发的研究一直在不断的深化。1956年-1958年，艾格瀚等科学家开场讨论半导体激光器的合理性和可能性，提出了很多设想及可能，但是这些大多只是在理论方面的设想，对于

12、详细的操作实践还没有得到解决。1958年-1960年，经过博伊尔，拉克斯等科研工作者的不断努力，关于半导体激光器的研究成果不断更新，在此期间发现相比起间接带隙半导体，直接带隙半导体更容易获得相应的相干光，相应的光谐振腔的技术也有了极大的改良。1961年，杜拉弗格和伯纳德正式明晰的提出了关于半导体实现粒子数反转的必要条件，提出了利用直接，间接带隙半导体材料制造激光器的理念。为1962年半导体激光器的成功研制提供了重要的理论基础。杜拉弗格和伯纳德正式明晰的提出了关于半导体实现粒子数反转的必要条件后，次年3月，在美国举办的物理学会议上，梅贝格做出了在77k的环境中GaAs材料电致发光的效率有可能较高

13、的报告，随后这一设想得到了证明。在1962年7月英国举办的固体器件研究会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的奎斯特Quist和克耶斯Keyes发布了在77k的环境中GaAs材料电致发光的效率极高，接近于100%的研究成果。该成果的发布为研制注入型半导体激光器解决了辐射效率的问题，也为此种半导体激光器的成功研制创造了条件。1.2.2GaAs半导体激光器的研制经过美国通用电气研究实验室工程师霍尔参加了1962年的固体器件研究会议，奎斯特Quist和克耶斯Keyes的报告引起了他极大的兴趣，霍尔之前一直在进行对于半导体激光器的研究，但是一直没有突破。这次的报告给了他极大的灵感，对于半导体激光器的研究有

14、了新的计划。霍尔回到实验室后立即制定了关于研制半导体激光器的计划，与芬纳等研究人员一起投入到半导体激光器的研制工作中。在霍尔小组的如火如荼的研究经过中，同年8月，那赛德福发布了观察到光谱稍微变窄的消息并发表了相应的文章。该文章的发布使得霍尔小组的研究压力有所减轻，也让霍尔小组意识到光反应的重要性。同年9月，霍尔小组对于谐振腔有了新的概念，他们采取了新型的谐振腔构造，并且成功的观察到GaAs受激辐射的现象。GaAs半导体激光器成功研制出来了。经过对实验结果的再三确认和对实验数据的整理，1962年11月，霍尔小组在?物理评论快报?上公布了其研究成果。在其发布一个月内，陆续有三个实验室先后公布成功获得相干光发射的消息。