原標(biāo)題：半導(dǎo)體激光二極管是如何工作的？

半導(dǎo)體激光二極管（Laser Diode，LD）是一種能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為激光的半導(dǎo)體器件，其工作原理主要基于半導(dǎo)體物理中的受激輻射效應(yīng)。以下是半導(dǎo)體激光二極管工作的詳細(xì)解釋：

一、基本結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)包括一個(gè)PN結(jié)，由摻雜不同雜質(zhì)的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成。P型半導(dǎo)體中有空穴，N型半導(dǎo)體中有電子。在兩者的交界面處形成了一個(gè)耗盡區(qū)，類似于普通的LED。此外，激光二極管內(nèi)部還設(shè)置有光學(xué)諧振腔，通常是通過(guò)在PN結(jié)的兩側(cè)放置兩面平行反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。

二、工作原理

1. 載流子注入與復(fù)合：

• 當(dāng)對(duì)PN結(jié)施加正向偏壓時(shí)，外部電場(chǎng)會(huì)促使電子從N區(qū)移動(dòng)到P區(qū)，空穴從P區(qū)移動(dòng)到N區(qū)。

• 這些電子和空穴會(huì)在PN結(jié)附近復(fù)合，產(chǎn)生光子。這與普通LED的發(fā)光原理相似。

2. 受激輻射：

• 在激光二極管中，除了電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生自發(fā)輻射（Spontaneous Emission）外，還存在受激輻射（Stimulated Emission）。

• 當(dāng)一個(gè)電子從較高的能級(jí)躍遷到較低的能級(jí)并釋放一個(gè)光子時(shí)，如果該光子與另一個(gè)處于高能級(jí)的電子相互作用，會(huì)促使該電子產(chǎn)生一個(gè)與原來(lái)光子相同頻率、相同相位的光子。

• 這樣，光子數(shù)量增加，形成光的放大效應(yīng)。

3. 光學(xué)諧振腔的作用：

• 為了使受激輻射產(chǎn)生的光放大并形成激光，激光二極管內(nèi)設(shè)置了光學(xué)諧振腔。

• 光學(xué)諧振腔可以使光子在其中來(lái)回反射，進(jìn)一步增加受激輻射的光子數(shù)。

• 當(dāng)光子數(shù)量達(dá)到閾值時(shí)，部分光子會(huì)通過(guò)諧振腔的一端射出，這就是激光二極管的激光輸出。

三、特性與應(yīng)用

1. 特性：

• 激光二極管具有單色性、相干性和方向性強(qiáng)的特點(diǎn)。

• 激光二極管能有效地將電能轉(zhuǎn)換為光能，效率較高。

• 激光二極管尺寸小、重量輕，適合集成到各種設(shè)備中。

• 可以制造出從紫外到紅外各種波長(zhǎng)的激光，滿足不同應(yīng)用需求。

2. 應(yīng)用：

• 光纖通信中作為光源，提供高速數(shù)據(jù)傳輸。

• 用于激光手術(shù)、皮膚治療、眼科手術(shù)等醫(yī)療領(lǐng)域。

• 激光測(cè)距儀、激光雷達(dá)等精密測(cè)量設(shè)備中。

• 激光切割、焊接、打標(biāo)等制造工藝中。

• 光盤驅(qū)動(dòng)器、激光打印機(jī)、條碼掃描器等消費(fèi)電子產(chǎn)品中。

綜上所述，半導(dǎo)體激光二極管通過(guò)PN結(jié)注入載流子產(chǎn)生受激輻射，并在光學(xué)諧振腔內(nèi)放大光子，最終形成相干激光。其高效、緊湊、多波長(zhǎng)選擇等特點(diǎn)使其在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。