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光電科技:半導體雷射

91/09/27 瀏覽次數 7386
雷射是什麼?

「雷射」是由英文laser音譯而來,而這英文名詞則是由 light amplification by stimulated emission of radiation 的字首所組成;中國大陸意譯為「激光」,顧名思義,即光可藉由激發放射而放大的一種裝置。

雷射的發明可以追溯到 1958 年,物理學家夏樂(Arthur L. Schawlow)和湯里士(Charles H. Townes)在《物理評論》(Physical Review)上發表一篇名為<紅外線與光學鎂射>(Infrared and Optical Masers)的論文,從而開創了一個新的科學領域,並產生了一個具數十億美元產值的新工業,二人先後都獲得諾貝爾物理學獎。

自 1960 年美國物理學家梅曼(Theodore Malman)首先利用光與共振腔產生雷射光以來,雷射幾乎成為各種領域應用上不可或缺的工具。我們可利用雷射來進行對準定位、量測精確的距離、物體表面的加工、切割與電鍍等工作;而雷射在資訊產品的應用則有光纖通訊、顯示器、消費性的雷射影碟與唱片等;在醫療上,有雷射手術與雷射除斑等。所以,雷射科技將成為廿一世紀的閃耀之星。

光與物質間的作用

每一種物質都有固定的能階,當光與物質發生交互作用時,原子內部的電子就從某一能階狀態躍遷到另一能階狀態,而躍遷過程會伴隨著光的吸收和輻射。

當光與物質相遇時,會發生三種基本現象,也就是光與物質之間會進行三種基本的交互作用:吸收、自發放射和激發放射。

吸收:當光照射在物質表面時,物質內部分電子吸收光的能量,從基態躍遷到激發態,亦即光被原子吸收,這是光的吸收過程。原子要從光獲得能量,必須是光子的能量恰為兩能階的能量差,吸收過程才會產生。如光子能量大於物質能隙,則光子會被材料吸收,並將電子激發到導電帶而在價電帶留下電洞。

我們可以牛頓力學的小實驗來說明這個現象,用一繩繫住一個鐵球甲,繩子自由垂下,再用具一定速度同質量的鐵球乙撞擊鐵球甲,這時,乙球不動,而甲球由位能的低點升到位能的高點(上升高度則視乙球撞擊的動量而定),這與光子的吸收方式類似。

自發放射:能量較高的物質放出電磁波,而降低其能量的過程稱為自發放射。物質吸收光子能量後,電子躍遷到激發態,當入射光消失時,電子經過一小段時間後,會自然回到穩定的基態。這時能量將以光子方式釋放,且朝各方向放射的機率相同,一般的光源放射就是這種方式。

同樣地,可以牛頓力學的小實驗來類比,用一繩繫住一個鐵球甲,從位能的高處自由落到位能的低處,這時,撞擊到另一同質量的鐵球乙,則甲球不動而乙球將獲得動能往前彈出,就像物質因自發放射發出電磁波(光子、電磁輻射)而降低能量一樣。

激發放射:物質與光的第三種交互作用是激發放射,就是在激發狀態的粒子受到入射光的作用而躍回基態,受激放射的頻率與入射光相同,而且放射光方向與入射光運動方向一致,也就是產生波長一樣(因此能量相同)且相位一致的放射光,這是雷射光發生的重要過程。通俗地說,激發放射是高能量的物質因為受到適當的入射光子所激勵,而發出相同的光波。

這就像是在卡拉 OK 機器前的人,跟著熟悉或引起共鳴的曲調唱起來。激發放射產生的光波波長、發出光波的時間、光波的發射方向決定於入射的電磁波(光子),在外觀上,會看見一個光子到達這個物質,卻有兩個一模一樣的光子從物質發出。既然光子數目增加,光強度也就放大了。

居量反轉

「居量反轉」是產生雷射光的重要條件,就是上能階的電子密度必須高於下能階的電子密度。熱平衡下,上能階的電子密度一般都低於下能階的電子密度,也就是說,如果將能階看成是樓層,電子當做是人,這裡的人喜歡居住在低的樓層,而不喜歡住在高樓層。但居量反轉發生時,高樓層住的人多,低樓層則住的少,這與熱平衡下的分布趨勢相反,因為這緣故,當雷射發生時,才能夠放大放射光。

雷射的組成

雷射組成的要件通常包括活性介質、激發源及光共振腔。

活性介質必須具有居量反轉的特性,才能形成激發放射的雷射光。無論是何種雷射,其所使用的活性介質都必須具有激發後能將入射光加以放大的特性,而一般的物質則是會吸收能量而衰減入射光的反射。因此,以活性介質來區分雷射的種類,則有:使用氣體為活性介質的氣體雷射,例如氦氖雷射、二氧化碳雷射;使用液體為活性介質的液體雷射,如染料雷射;使用固體為活性介質的固體雷射,如紅寶石雷射;使用化學週期表中三族、五族半導體為材料的,如砷化鎵、砷磷化銦鎵、砷化鎵鋁等半導體雷射。

激發源的形式主要有兩種,就是光激發源和電激發源。固體雷射和液體雷射多使用光激發源,而氣體雷射和半導體雷射則使用電激發源。所謂光激發源,就是利用適當光源來激發活性介質,使電子能從基態受激躍升到較高能階的激發態,常用的有:脈波式輸出雷射用的氙氣閃光燈,以及連續式輸出用的氪弧光燈、發光二極體等。而光激發源的效益偏低,這是未來科學家要努力研究的重要課題之一。至於氣體雷射或半導體雷射則多使用電做為激發源,例如加電壓等方式。

共振腔的主要功能是將光限制在腔內以產生共振,使光返復經過活性介質不斷地被放大,達到臨界值時就會產生雷射光。

共振的目的,除了使光放大外,更重要的是產生單色的雷射光。共振腔的結構主要是由兩鏡面組成,此兩鏡面可以是平面,也可以是凸面或凹面的組合,設計的觀點為穩定性與雷射光是否充分涵蓋活性介質。所謂穩定性,就是光波往返於鏡面之間,不致離開此共振腔。用幾何光學來說明,就是雷射光傳播方向必須接近光軸而且角度很小。

雷射的作用

物質必須要達成並維持居量反轉,才能藉著激發放射,造成「生之(光子)者眾,食之者寡」的狀況,把光強度放大。而一種物質可能只有少數幾組能階可因某些激發方式呈現居量反轉,所以能發出的光波波長就有所限制。如前所述,能夠產生居量反轉的物質稱為活性介質。此外,雷射更藉著共振腔使光強度放大並反覆進行,大幅增加放大效果,而共振腔的反射鏡是選擇性地只對少數波長的光具有高的反射率,甚至還常用稜鏡或光柵對光波長做進一步篩選。因此,雷射光就只能具有很窄的波長範圍,也就是雷射光具有單色性。

單色光是指幾乎是單一頻率的光,通常都是人為的,而自然界的光源卻不是這樣。自然光和雷射光最大的不同是自然光不具單色性而是具有各種顏色或頻率的光,我們可由簡易的光學實驗來驗證。利用普通的光源照射一個三稜鏡,入射後發生所謂色散的現象,我們看到各種頻率(顏色)的光離開三稜鏡,就知道這光源是由許多不同頻率(顏色)的光所組成的。

激發放射的方向是決定於入射光的行進方向,而共振腔的構造又使光束往主軸集中,因此,行進方向偏離主軸的光波不會顯著地放大,而且向側方逸出,放大後的雷射光束是很細很直的。既然激發放射造成放大,共振腔又增高放大次數,且使光束截面縮小,雷射光的強度就高出傳統光束許多了。

另一方面,激發放射使光波(光子)的步伐整齊(相位一致),所以雷射光束的相干性很高。對照的狀況是:自發輻射的時間與方向呈隨機性,所以步伐凌亂(相位紊亂),就像沒有聚集起來、沒有引起共鳴的歌曲,一群人隨興哼唱,節拍韻律不會一致。

雷射運作的過程,可分五個步驟:(1)未激發的原子;(2)藉由外界照光,原子吸收光波而躍遷到激發態並開始自發發射;(3)自發發射頻譜經過共振腔篩選,只剩下幾個特定頻率共振,這時,原子數目已達居量反轉分布,受激發射開始;(4)受激發射,經過共振腔多次往返,增益漸增,光沿著光軸方向逐漸加強強度;(5)因受激發射而繼續放大,達到臨界值而輸出雷射光。

什麼是半導體的能隙?

以物理的觀點來說,在室溫時,部分電子獲得足夠的能量而從價電帶躍遷到導電帶,在價電帶留下一些帶正電的空位(電洞)。當電子從導電帶再度躍遷回到價電帶與電洞結合時,將導電帶與價電帶間能量差,就是「能隙」,用光或熱的形式釋放出來。

如果在能量轉移過程中,電子的動量保持一定,那麼電子可從導電帶直接躍遷到價電帶而發出光,這就稱為直接躍遷。如果電子與電洞結合必須改變其動量,則躍遷相當困難且多半用熱的方式將能量散出,這就稱為間接躍遷。

在直接躍遷中,半導體的波長(單位是奈米)與能隙(單位是電子伏特)的關係是波長 = 1240∕能隙(奈米 = 10−9 米,奈米:人的頭髮直徑不超過 10−4 米,頭髮的直徑大約是一奈米的十萬倍左右),由此關係式可知,半導體雷射光的波長取決於能隙大小。

半導體的材料可分為元素半導體及化合物半導體,常見的元素半導體材料,如矽與鍺,都是間接能隙材料,不合適做為發光材料。目前常見的發光元件材料多為直接能隙的化合物半導體,如三族、五族的砷化鎵與磷化銦,或二族、六族的硒化鋅與硫化鋅等。此外,也可利用三元或四元化合物半導體,其能隙可隨著元素成分改變而調變,而得到不同波長的光。例如,三元化合物半導體鋁 χ1−χ 砷是以砷化鎵與砷化鋁所合成,我們可調整三價元素鋁和鎵的比例來得到不同波長的光。

半導體雷射

半導體雷射或稱雷射二極體具有體積輕巧、效益高、消耗功率小、使用壽命長、以及容易由電流大小來調制其輸出功率、調制頻率可達十億赫茲等特性。這些特性使它廣泛應用於資訊處理、光纖通訊、家電用品及精密測量上。而且,因製作精細、技術層次高,對於整體光電產業而言,具有舉足輕重的地位,也是關鍵性元件。

雷射二極體的特性

雷射二極體的注入電流必須大於臨界電流密度,才能滿足居量反轉條件而發出雷射光。臨界電流密度與接面溫度有關,並且間接影響效益。高溫操作時,臨界電流提高,效益降低,甚至損壞元件。

當雷射二極體注入電流在臨界電流密度以下時,發光機制主要是自發放射,光譜分散較廣,頻寬大約在 100 到 500 埃(埃 = 10−1 奈米,原子直徑的數量級就是幾個埃〉之間。但當電流密度超過臨界值時,就開始產生振盪,最後只剩下少數幾個模態,而頻寬也減小到 30 埃以下。而且,雷射二極體的消耗功率極小,以雙異質結構雷射為例,最大的額定電壓通常低於二伏特,輸入電流則在 15 到 100 毫安培之間,消耗功率往往不到一瓦特,而輸出功率達數十毫瓦特以上。

雷射二極體的特色之一,是能直接從電流調制其輸出光的強弱。因為輸出光功率與輸入電流之間多為線性關係,所以雷射二極體可以採用類比或數位電流直接調制輸出光的強弱,省掉昂貴的調制器,使二極體的應用更加經濟實惠。

幾種不同結構的雷射二極體

雷射二極體和一般的二極體有相似的 P−N 接面結構,而其差異主要是半導體雷射具有一對鏡面做為共振腔。目前雷射二極體的種類很多,而且結構變化快速。以下介紹幾種主要的結構。

單異質結構︰早期的雷射二極體,P和N型都是同質的半導體,稱為均質雷射。因對光及注入電流的控制太差,且只能在低溫下操作,因此實用性不佳。單異質結構(single heterostructure)雷射就是針對均質雷射的缺點而發展出來的,其中反應區域是由不同材質的P型和N型所形成。例如,若以P型砷化鎵為材質,則反應區域的兩邊分別由不同電性但相同材料N型砷化鎵,以及由能隙較大的不同材料如P型砷化鋁鎵所構成,因為只有一邊是異質結構,所以稱為單異質結構。這種異質接面對注入的電荷有相當的局限作用,而且,因折射率的差異,可防止雷射光從異質接面脫逃,因此效率大增。不過它只對一邊有所助益,效益仍不高。

雙異質結構︰雙異質結構(double heterostructure)反應區兩邊都由能隙較大的材料所組成,例如,P型砷化鎵活性層是夾在P型砷化鋁鎵和N型砷化鋁鎵之間,由於砷化鋁鎵可以同時限制注入電流的電子與電洞,而且兩面可防止雷射光由共振腔周圍逸散,因而提高其效率,目前商品化的半導體雷射,多採用這種結構。

量子井結構︰當雙異質結構的活性層厚度減到約只有 100 埃左右時,電子的波動性質將會較顯著,此時必須考慮量子效應。活性層可視為一量子井(quantum well),載子(電子或電洞)的能量由連續的分布轉變成為幾個特定值的能階。而且活性介質層厚度愈薄,波長愈短,所以可發展成可見光雷射二極體。

垂直共振腔面射型雷射︰另一類發展迅速的雷射二極體是垂直共振腔面射型雷射(vertical cavity surface emitting laser),由於它的共振腔非常短,增益物質(gain media)少,輸出功率也受到極大的限制,典型的垂直共振腔面射型雷射輸出功率在一毫瓦左右。但因其輸出光束呈圓形對稱,易於與光纖耦合,又方便製作垂直共振腔面射型雷射陣列,未來可望取代部分低功率的邊射型雷射二極體,使系統價格再降低,遠景看好。其中 850 奈米的垂直共振腔面射型雷射已在 1997 年上市 ,並在 1998 年開始進入各種區域網路(LAN)中,獲得如「光纖頻道」(fiber channel)和「十億位元乙太網路」等十億位元級傳輸模組的標準所採用,進行短距離的大量資訊傳輸工作。

雷射二極體的種類

半導體雷射依波長及應用,大致可分為短波長與長波長雷射兩大類。短波長雷射包含發光波長由 390 奈米到 950 奈米的雷射,主要使用於光碟機、雷射印表機、條碼機、掃描器及指示器等光資訊及顯示的應用;長波長雷射則涵蓋發光波長由 980 奈米至 1550 奈米之雷射,主要用於光纖通訊。

如果以雷射二極體的波長及操作的功率分類,從短波長到長波長可以細分為以下四類。

390 ~ 550 奈米︰此波段的雷射二極體可用氮化銦鎵/氮化銦鎵/三氧化二鋁或硒化鋅兩大材料系列所製成,其發光波長分別為 390 ~ 440 奈米與 520 奈米左右,最大的應用是在超高密度的儲存系統,如:高解析度的印表機或高密度DVD光碟機等。

635 ~ 670 奈米︰此波段的雷射二極體主要用磷化鋁銦鎵/磷化銦鎵/砷化鎵材料所製成。5 毫瓦以下的低操作功率雷射二極體主要用在條碼閱讀機、量測對準、雷射指示器、及唯讀型光資訊存取系統上,如:DVD-ROM 光碟機或數位式影碟機的應用。30 毫瓦左右的中操作功率雷射二極體用於可讀寫型存取系統,如:DVD-R 與DVD-RW 燒錄機。100 毫瓦以上操作功率的雷射二極體則用於雷射印表機、固態雷射激發源及醫學上。

750 ~ 950 奈米︰此波段的雷射二極體主要用砷化鋁鎵/砷化鎵材料所製成。5 毫瓦以下的780奈米雷射二極體是最早被大量生產的雷射二極體,廣泛用在 CD-ROM 光碟機、CD 唱盤、CD遊戲機等商品上。10 毫瓦至1 瓦的中級操作功率方面,30 毫瓦的 780 奈米的雷射二極體用於可讀寫型存取系統,如:CD-R 燒錄機、可讀寫式微光碟機。500 毫瓦至 1 瓦的 808 奈米雷射二極體常做為釹釔鋁石榴石雷射的激勵源,用在表演舞臺的特殊效果。1瓦以上的高功率雷射二極體,是用在激勵大功率固態雷射,以進行材料加工處理,或用於醫學治療上、數位印刷、藝術表演等。

980 ~ 1550 奈米:此波段的雷射二極體主要用砷化鋁鎵銦和砷磷化銦鎵材料系列所製成,通常應用在長距離的光纖通訊,操作功率大於數 10 毫瓦至1瓦以上的雷射二極體。其中最重要的是使用具有單模、穩頻操作的 1310 奈米或 1550 奈米雷射二極體,以做為光纖通訊的光源。另外,也用在光纖放大器的激發源的 980 奈米或 1480 奈米雷射二極體。由於長距離光纖通訊朝向高傳輸速率及波長多工系統發展,使用光纖放大器取代傳統的電子式中繼站正迅速發展。

短波長雷射的現況

CD-R 燒錄機或 CD-ROM 光碟機等光資訊用的短波長雷射二極體,以砷化鋁鎵為主要材料,波長範圍是 780 ~ 850 奈米左右,輸出功率依應用不同約在 3 ~ 40 毫瓦不等,採用掩埋型脊(selectively buried ridge wave-guide)結構的雷射二極體具有約 40 毫安培的臨界電流。這類雷射二極體發展最早,目前幾乎都以自動化方式生產,生產技術相當成熟,後來想要跟進的廠商已難有足夠的競爭力。

為了提高 CD 光碟片的儲存容量,目前新一代 DVD 光碟機的光源是使用發光波長為 635 ~ 660 奈米的磷化鋁鎵銦雷射二極體。此雷射二極體從 1980 年開始發展至今,已經陸續改善其缺點。目前適用於 DVD-ROM 光碟機的 5 毫瓦低功率雷射二極體,以及 DVD-R 燒錄機與 DVD-RAM 光碟機的 30 毫瓦中級輸出功率雷射二極體都已商品化。以脊狀結構而言,臨界電流可低到 13 毫安培,操作電流約在 20 ~ 25 毫安培左右。如以掩埋型脊狀結構而言,臨界電流約在 30 毫安培左右。操作電流約在 40 ~ 50 毫安培之間,中、高輸出功率的紅色光雷射二極體的發展也日趨成熟,漸漸有商品推出市場。

為了進一步提高光碟片的儲存容量,日本的新力公司曾使用 515 奈米硒化鋅雷射二極體為DVD光碟機讀取頭的光源,使 DVD 光碟片的單面儲存量增加為 7.7 十億位元,但因硒化鋅雷射二極體的操作生命期極短,目前依然處於研發階段,並沒有商品化。

1998 年底,日本日亞(Nichia) 化學公司對外宣布,其研發的氮化銦鎵/氮化鎵雷射波長約 400 奈米,可使DVD光碟片的單面儲存容量更增加為 15 十億位元,而且這種雷射在 2 毫瓦室溫下可連續操作達 10,000 小時。日亞公司在 1999 年初已開始進行試量產,同時提供工程樣品,但是目前氮化銦鎵/氮化鎵雷射的價格還是很昂貴。

雷射光特性的應用

物質吸收能量越多時,物質(結構或狀態)受到的影響也越多。但是,各種物質能吸收的電磁波頻率分布並不相同。例如,透明無色的物質不吸收可見光;綠色物質較能吸收紅色光。因此,單色性的光用在與物質作選擇性的交互作用,例如二氧化碳雷射之 10.6 微米(1 微米 = 1000 奈米)的紅外光會被生物組織中的水份吸收,所以作用範圍較表淺;釹釔鋁石榴石雷射之 1.06 微米紅外光,則可作用到深層組織;紅寶石雷射所發出的紅光(波長 694.3 奈米),不適合牙齒硬組織的處理。

雷射光束的低發散性可以讓雷射光照射到很遠的地方,仍保持相當高的強度,其中的光線很近似互相平行,可用在工程、軍事、環境、生物體等的遙測,例如測微血管內的血流速率,以及精密加工、光纖通訊、飛行器的光纖導航儀、光束武器等。

雷射光的高強度使受照的單位面積上每秒內獲得很高的能量,產生相當強的熱能、光動力(撞擊及光壓 )、光化學、電磁場等作用。非線性光學的現象更使光脈波的脈寬、光波波長(頻率)得以調變,探測光譜時,可獲相當高的靈敏度及鑑別率。

雷射光的相干性高,可用於藉干涉效應反映物質狀態及分布,產生全像紀錄。而全像可應用在檢驗、資料的高密度存取、藝術、防仿冒標籤等。例如光纖導航儀,也是利用雷射光干涉效應的精密器件。

從衣食住行育樂到醫療、資訊與通訊、科技研發、工程施工及品管、藝術活動、文物維護、環境監測、國防攻守,雷射光的應用範圍逐漸增加,其中每樣用途都發揮了雷射光束的一種或多種特性。以下就其中幾項加以說明。

光纖通訊:光纖通訊具有不受電磁波干擾、長距離傳輸以及通訊容量遠大於電纜線的優點,已逐漸成為通訊的主流,而其中光源主要是半導體雷射。當電的訊號經過驅動電路後,經由半導體雷射轉換成光的訊號,再經放大器放大及訊號處理器處理後,就成為輸出訊號輸出。目前,實用的光纖通訊光源是高穩定度的砷化鎵及砷化鋁鎵等半導體雷射,波長在 0.8 ~ 1.5 微米之間。

通訊容量與傳輸訊號的頻率關係密切,頻率愈高,可傳輸的資料愈多。光波頻率約為 1014 赫茲(Hz,每秒振動的次數),而電通訊用的無線電波頻率只有 1010 赫茲,光波的頻率整整高出 10000 倍。因此,使用雷射為主的光纖通訊,有驚人的通訊容量。

雷射醫療:雷射在醫療上的應用,主要是利用雷射的熱效應、光生化效應、壓力效應及電離層的效應。例如,雷射手術刀就是利用熱作用,其原理是,當功率大於某一定值的雷射光照射在人體時,表皮內的水份吸收光能而蒸發,其周邊表面形成炭化層,炭化層內部形成變性層。炭化層與變性層愈薄,則傷口癒合得愈快。除了切割外,雷射熱效應也可應用在凝固,當雷射功率較小時,照射於血管組織,使其水分減少而達到凝固止血目的。另外,除去刺青、黑痣、雀斑、肝斑等,都可使用雷射來治療。

雷射的光生化效應可用在治療癌症,當適當波長的雷射光照射腫瘤時,使基態的氧分子激發到激發態,激發態的高能階的氧使惡性腫瘤組織產生氧化,而達到消除癌細胞的目的。當雷射光的波長不被皮膚表層所吸收,而能深入皮內組織,就可應用在治療疼痛上。

雷射光碟:光碟是將連續的類比聲波或影像,切成許多小間隔,再將這些小間隔依振幅大小變成十六位元的二進位數位信號。訊號經數位化後,利用雷射打孔成固定大小的孔,以1和0來代表孔的有無,而將聲波記錄下來。其音質的好壞取決於單位時間內波形的變化,以及聲音強弱分割的細微程度。讀取訊號時,雷射光照射光碟表面,反射回來的光經光檢測器接收後,依光量大小轉為強弱不同的電波訊號,而重現影像或聲音信號。

光碟除了容量大,還有許多優點,例如,因為是非接觸式的讀取,所以不怕磨損,很耐用,唱頭使用壽命長,諧波失真小等。

雷射科技早已成為目前各個研究領域與應用上不可或缺的工具,例如,精確的距離量測,是由雷射來完成;雷射影碟和光碟,就是雷射在資訊方面的產品;各種材料的切割或加工,也可由雷射來擔任;而醫療上的應用更是廣泛。美國在雷根總統時代,曾經想利用大功率的雷射,經由衛星的反射而摧毀敵國的飛彈,可見雷射在軍事用途上,也有一席重要的地位。所以,我們可以預期,未來雷射在各行各業的應用將日益增廣,也就是說,雷射工業如旭日東升,前途無量,值得投入更多人力、物力去研發。

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