半导体激光器芯片基本分类形式以及不同的应用
半导体激光器芯片是激光器的核心部件，它能够产生受激辐射并输出激光。其基本原理是基于半导体材料中的电子跃迁。在芯片的有源区，当注入足够的能量（如通过电流注入）时，电子会从低能级跃迁到高能级，形成粒子数反转。然后，在光学谐振腔的作用下，这些处于高能级的电子会在光子的诱导下，跃迁回低能级并发射出与诱导光子同频率、同相位的光子，通过不断的受激辐射过程，光在谐振腔内不断放大并最终输出激光。如图1，2所示。
图1 激光器的基本结构与发光原理
图2 半导体激光器芯片
一 按芯片结构分类
按照激光器的基本结构和出光方向进行分类，将分为两个类型如图3，分别为便发射激光器和垂直腔面发射激光器
图3 Schematic structure of semiconductor edge-emitting laser (a) and surface-emitting laser(b)
1.1 边发射激光器（EEL，Edge Emitting Laser）芯片
边发射激光器芯片的激光发射方向平行于芯片的有源区。其结构特点是光波在芯片的侧面出射，有源区通常是一个细长的条形结构。这种结构使得边发射激光器芯片能够输出较高的功率，并且光束质量相对较好，适合用于长距离的光通信和高功率的激光加工等领域。例如，在光纤通信的长距离传输线路中，边发射激光器芯片能够提供足够的光功率，确保信号经过长距离传输后依然能够被有效接收。在激光切割、焊接等工业加工领域，边发射激光器芯片可以输出高功率的激光束，实现对金属、塑料等材料的精确加工。
边发射激光器进一步分为以下几种类型：
FP激光器（Fabry-Perot Laser）：多纵模激光器，结构简单，成本低，适用于短距离传输。
图3 FP边发射激光器芯片基本结构
DFB激光器（Distributed Feedback Laser）：单纵模激光器，通过内部光栅实现波长选择，适用于中长距离传输。
图4 DFB激光器结构示意图
EML激光器（Electro-Absorption Modulated Laser）：集成激光器和电吸收调制器，适用于高速率长距离传输，可以有效减少啁啾效应。
图5 EML激光器结构示意图
1.2垂直腔面发射激光器（VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser）芯片
VCSEL 芯片的激光发射方向垂直于芯片的表面。它的结构特点是具有上下两个反射镜，中间是有源区，激光垂直于芯片表面发射。这种结构使得 VCSEL 芯片具有较低的阈值电流，能够在较低的功率下工作，并且易于实现二维阵列集成。在数据通信方面，VCSEL 芯片被广泛应用于短距离高速数据传输，如计算机内部的光互连和数据中心的服务器之间的通信。因为其光束是圆形的，易于与光纤和光学元件耦合，并且可以通过阵列化实现更高的传输容量。在消费电子领域，例如智能手机的面部识别功能中的 3D 感测模块，也大量使用 VCSEL 芯片，它能够发射出红外光脉冲，通过反射光来构建面部的三维模型。
图6 VCSEL激光器结构示意图
二 按照芯片材料进行分类
激光器芯片可以根据所使用的材料进行分类，不同材料的激光器芯片具有不同的性能特点和应用场景。以下是几种常见的激光器芯片材料及其特点：
2.1 砷化镓（GaAs）激光器芯片
砷化镓是一种重要的 Ⅲ - Ⅴ 族化合物半导体材料。基于砷化镓的激光器芯片主要工作在近红外波段，通常在 780 - 980 纳米范围内。例如，光通信中广泛应用的许多 850 纳米垂直腔面发射激光器（VCSEL）芯片就是以砷化镓作为基础材料制成的。其优点在于电子迁移率高，能够实现高效的高速电子跃迁，从而使激光发射过程更加高效。在光存储领域，比如 CD - ROM 和 DVD - ROM 驱动器中的激光读取头，也常用砷化镓激光器芯片，因为该波段的激光能与光存储介质很好地相互作用，实现数据读取。
2.2 磷化铟（InP）激光器芯片
磷化铟材料适合用于制造长波长激光器芯片。其工作波长通常在 1310 纳米和 1550 纳米左右，这两个波长是光通信的低损耗窗口。在光纤通信系统中，1310 纳米和 1550 纳米的磷化铟激光器芯片被广泛用于长距离、高速率的数据传输。这是因为在光纤中，这两个波长的光信号衰减相对较小，能够实现更远的传输距离。例如，在海底光缆通信中，磷化铟激光器芯片起着至关重要的作用，保障了洲际间的大容量通信。
2.3 氮化镓（GaN）激光器芯片
氮化镓材料主要用于制造蓝光和紫外光激光器芯片。其工作波长一般在 400 - 450 纳米（蓝光）范围以及更短的紫外波段。在光存储领域，蓝光光盘（BD）的读写激光头利用氮化镓激光器芯片来产生蓝光。在显示技术方面，氮化镓激光器芯片有潜力用于激光投影显示，能够提供高亮度、高对比度的图像。而且在紫外光应用方面，比如光刻技术和杀菌消毒领域，氮化镓紫外激光器芯片也展现出很大的应用前景，因为紫外光能够破坏微生物的 DNA 结构，实现高效杀菌。
三 激光器按工作方式分类
激光器根据其工作方式可以分为连续波（Continuous Wave, CW）激光器和脉冲（Pulsed）激光器两大类。这两种类型激光器的工作原理和应用场景有所不同，下面分别介绍它们的特点和典型应用。
3.1 连续波激光器（Continuous - Wave Lasers，CW Lasers）
工作原理：连续波激光器能够持续输出稳定的激光束，即激光输出在时间上是连续不间断的。在这种激光器中，通过稳定的泵浦源（如恒定的电流注入或光泵浦）维持粒子数反转状态，使得受激辐射过程持续进行。只要泵浦能量足够维持增益大于损耗，激光就能一直稳定输出。
特点及应用场景：
稳定性高：由于其连续输出的特性，能够提供稳定的光场，这使得它在需要高精度测量的领域应用广泛。例如在激光干涉测量中，可用于测量长度、位移等物理量，精度能达到微米甚至纳米级别。在光学全息术中，连续波激光器可以提供稳定的相干光源，用于记录和再现物体的三维全息图像。
功率范围广：连续波激光器的输出功率范围可以从几毫瓦到数千瓦不等。低功率的连续波激光器常用于医疗领域的光疗，如低强度激光疗法（LLLT），用于促进伤口愈合、减轻疼痛等。高功率的连续波激光器在工业加工中可用于材料的热处理，如金属的表面淬火，通过连续的激光照射使金属表面快速升温，改变其组织结构，提高硬度和耐磨性。
3.2 脉冲激光器（Pulse Lasers）
工作原理：脉冲激光器是以脉冲形式输出激光，即激光的输出是间歇性的。它通过对泵浦源进行调制或者利用特殊的激光谐振腔结构来实现脉冲输出。常见的产生脉冲的方式包括调 Q 技术和锁模技术。调 Q 技术是在激光谐振腔内插入一个可调节的损耗元件（Q 开关），在泵浦初期，Q 开关处于低 Q 值状态（高损耗），使粒子数大量积累；当 Q 开关快速切换到高 Q 值状态（低损耗）时，积累的粒子数迅速反转并产生高强度的激光脉冲。锁模技术则是通过在谐振腔内使不同纵模的激光相位锁定，形成超短脉冲序列。
特点及应用场景：
高峰值功率：脉冲激光器可以在极短的时间内输出高能量，从而具有很高的峰值功率。这种特性使其在材料加工领域应用广泛，如在激光切割中，高能量的脉冲激光可以瞬间使材料熔化或汽化，实现高精度的切割，尤其适用于高硬度、高熔点材料。在激光打孔中，脉冲激光能够快速在材料上打出微小的孔洞，用于制造精密的电子元件、航空航天零部件等。
时间分辨率高：超短脉冲激光器（如飞秒激光器）的脉冲宽度可以达到飞秒（10⁻¹⁵秒）级别。这使得它们在科学研究中有独特的应用，例如在飞秒化学领域，可以用于研究化学反应的瞬间过程，观察分子的解离、重组等微观过程。在生物医学成像中，超短脉冲激光可以用于光学相干断层扫描（OCT），实现对生物组织的高分辨率三维成像。
远程探测：脉冲激光器在激光雷达（LiDAR）系统中发挥关键作用。通过发射高能量的短脉冲激光，并测量反射光的时间延迟，可以精确地测量目标物体的距离。在自动驾驶领域，激光雷达利用脉冲激光器来感知车辆周围的环境，包括其他车辆、行人、障碍物等的位置和距离信息，为车辆的自动驾驶提供关键的数据支持。
