激光二极管全揭秘：原理、参数、应用场景大公开
激光二极管全揭秘：原理、参数、应用场景大公开
激光二极管和红外LED技术正以其独特魅力，成为众多科技创新的关键支撑，它们的身影遍布从日常电子设备到高端科研仪器的各个角落。激光二极管以其基于受激辐射产生相干光的独特原理，在光通信、光存储等领域发挥着不可替代的作用。
要深入了解激光二极管，得先从激光的产生机理说起。在光辐射的奇妙世界里，存在着三种辐射过程。自发辐射，就像是粒子们随性的“舞蹈”，处于高能态的粒子自发地向低能态跃迁，即便两个同时跃迁的粒子，它们发出光的相位、偏振状态、发射方向都可能各不相同。而受激辐射则截然不同，当高能态的粒子在外来光子的“召唤”下向低能态跃迁，发出的光在频率、相位、偏振状态等方面与外来光子如出一辙。受激吸收则是低能态的粒子吸收外来光能量向高能态迈进。在激光器中，占主导地位的是受激辐射，这里发出的激光在各方面都整齐划一。不过，在一般光源里，受激吸收往往更占上风。要想发出激光，就必须打破粒子的平衡态，实现粒子数反转，让高能态的粒子数多于低能态的粒子数。
产生激光需要满足三个关键条件。首先是实现粒子数反转，在半导体中，这意味着要把价带内的电子抽运到导带，通常通过重掺杂的P型和N型材料构成PN结，在外加电压的作用下，结区附近就能出现粒子数反转。其次是满足阈值条件，要有损耗极小的谐振腔，受激辐射放大的增益必须大于激光器内的各种损耗，只有这样才能输出稳定的激光。最后是谐振条件，激光在谐振腔内来回反射，只有特定频率的光满足相位差条件，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光，这也体现了谐振腔对激光的选频作用。
激光二极管本质上是一种半导体二极管。按照PN结材料的异同，可分为同质结、单异质结、双异质结和量子阱激光二极管。其中，量子阱激光二极管凭借阈值电流低、输出功率高的优势，成为当下市场的主流产品。与普通激光器相比，激光二极管有着效率高、体积小、寿命长的显著优点，然而它也存在输出功率小（一般小于2mW）、线性差、单色性欠佳的不足，这在一定程度上限制了其在有线电视系统中传输多频道、高性能模拟信号的应用。不过，在双向光接收机的回传模块中，它作为上行发射的光源却发挥着重要作用。
半导体激光二极管的基本结构中，垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里--珀罗谐振腔，这可以是半导体晶体的解理面，也能是抛光平面，其余两侧面则相对粗糙，以消除其他方向的激光作用。其工作原理是，当PN结加正向电压，电子和空穴注入后发生复合，产生自发辐射。当自发辐射的光子激励其他载流子复合产生新光子，即受激辐射。若注入电流足够大形成粒子数反转，有源层内载流子大量反转时，少量自发辐射产生的光子在谐振腔两端面往复反射形成感应辐射，当增益大于吸收损耗，就能发出具有良好谱线的相干光——激光。
随着技术的不断进步，如今实际使用的半导体激光二极管拥有复杂的多层结构。常用的激光二极管有PIN光电二极管和雪崩光电二极管。PIN光电二极管在产生光电流时会带来量子噪声，雪崩光电二极管能提供内部放大，传输距离更远，但量子噪声更大，为获得良好信噪比，光检测器件后需连接低噪声预放大器和主放大器。
半导体激光二极管的常用参数包括波长，目前可用于光电开关的波长有多种；阈值电流，即开始产生激光振荡的电流；工作电流，达到额定输出功率时的驱动电流；垂直发散角和水平发散角，分别是发光带在垂直和平行PN结方向张开的角度；监控电流，额定输出功率时PIN管上流过的电流。
激光二极管在计算机的光盘驱动器、激光打印机的打印头等小功率光电设备中有着广泛应用，为信息存储与输出等方面带来了极大的便利。
激光二极管，这个小小的器件，凭借其独特的原理、丰富的参数和多样的应用，在科技领域占据着不可或缺的地位。随着研究的深入和技术的创新，相信它将在更多领域绽放光彩，为我们的生活带来更多的惊喜与变革，持续推动科技的巨轮滚滚向前。