元器件科普之激光二极管的原理和应用

1、简述

激光二极管是上世纪60年代发明的一种光源半导体激光器，又称镭射管(Laser Diode)。LASER是取"Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(基于受激发射的光放大)"的首字母组成的缩写单词，通常简称为LD。由于可产生波长及相位等性质完全一样的光，因此相干性高是其最大特点。早期因只能够发出低光度的红光，被惠普买下专利后当作指示灯利用，呵呵。如下是当前市面上最常见的激光二极管实物图及内部连接图:

2、工作原理

可用下图(2)来简单说明激光二极管的发光原理:激光二极管中的P-N结由两个掺杂的砷化镓层形成。它有两个平端结构，平行于一端镜像(高度反射面)和一个部分反射。要发射的光的波长与连接处的长度正好相关。当P-N结由外部电压源正向偏置时，电子通过结而移动，并像普通二极管那样重新组合。当电子与空穴复合时，光子被释放。这些光子撞击原子，导致更多的光子被释放。随着正向偏置电流的增加，更多的电子进入耗尽区并导致更多的光子被发射。最终，在耗尽区内随机漂移的一些光子垂直照射反射表面，从而沿着它们的原始路径反射回去。反射的光子再次从结的另一端反射回来。光子从一端到另一端的这种运动连续多次。在光子运动过程中，由于雪崩效应，更多的原子会释放更多的光子。这种反射和产生越来越多的光子的过程产生非常强烈的激光束。在上面解释的发射过程中产生的每个光子与在能级，相位关系和频率上的其他光子相同。因此，发射过程给出单一波长的激光束。为了产生一束激光，必须使激光二极管的电流超过一定的阈值电平。低于阈值水平的电流迫使二极管表现为LED，发出非相干光。

更简单来说，如下图所示，利用注入电流产生的光在2片镜片之间往返放大，直至激光振荡。简单的说，激光二极管也可以说成是一个通过反射镜将光放大的发光LED。

3、内部结构图

下面我们就以当前市面上最常见这种激光二极管实物为例，说明一下激光二极管的大致构造情况:

由上图可见，激光二极管LASER内包括四个部分:第一部分是激光发射部分(可用LD表示)，它的作用是发射激光;第二部分是光电二极管，是激光的接收反馈器(可用PD表示)，它的作用是接收、监测LD发出的激光(当然，若不需监测LD的输出，PD部分则可不用)，此外这两个部分还要一个共用公共电极。因此二极管，通常激光二极管有三个电极;第三部分是玻璃盖片做的镜头，其作用是防尘还有谐振腔的用途;第四部分是金属外壳，主要固定、屏蔽外界干扰信号和散热的作用。

4、分类

激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照P-N结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结(SH)、双异质结(DH)和量子阱(QW)激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。作为元件材料，使用AlGaAs、InGaAlP、InGaN、ZnO等化合物半导体，由于LSI及Tr、Di等使用的Si跃迁概率(电流转变为光的概率)较差，因此不适用于激光二极管。

5、主要技术参数

①波长:即激光管工作波长，可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、

690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。下图是常见波长的镭射光对应的颜色:

②阈值电流Ith :即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。

③工作电流Iop :即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。

④工作电压Vop:是发出规定的光输出时需要的正向电压。