半导体激光器，也常被称为激光二极管，是以半导体材料作为增益介质的激光器。

与传统大体积分立型激光器不同，半导体激光器是基于半导体制造工艺的微型光电子器件。其核心为半导体激光芯片，特征尺寸通常在百微米量级，制备工艺与微电子集成电路具有高度同源性。通过过外延生长技术将不同组分的半导体材料逐层堆叠，形成精密的多层异质结结构。集成电路的多层结构用于实现电信号的运算与处理，而半导体激光器的多层堆叠结构则用于构建光学增益区，实现电注入下的受激辐射光输出。

它是目前产业化最成熟、应用最广泛的一类激光器，凭借体积小、寿命长、效率高、可直接电驱动等优势，成为了光电子产业的核心器件之一。

1. 泵浦机制

传统激光器多采用光泵浦方式，需通过泵浦光源激励增益介质以实现粒子数反转，能量转换遵循 “电能 — 光能 — 激光” 的路径，存在中间环节的能量损耗。半导体激光器采用电注入泵浦机制，通过向 PN 结施加正向电流即可直接完成载流子注入与粒子数反转，能量转换路径为 “电能 — 激光”，省去了中间光转换环节，器件结构更简洁，电光转换效率更优。

2. 体积形态

气体激光器、固体激光器等传统激光器多为分立设备形态，整机体积通常达到台式设备乃至机柜级，系统集成度较低。半导体激光器的核心发光单元为半导体激光芯片，特征尺寸仅为数百微米量级，具备芯片级的微型化体积，可直接封装嵌入消费电子终端、便携设备及小型化系统中，该集成特性是传统激光器无法实现的。

3. 调制性能：支持高速直接调制

半导体激光器可通过对注入电流的直接调控，实现光输出的高速开关与信号调制，调制频率可达 GHz 量级，能够适配高速光信号传输需求，是光通信系统的理想发射光源。相比之下，传统激光器的直接调制速率普遍较低，难以满足高速信息传输的应用场景要求。

和所有激光器一样，半导体激光器工作也需要三大要素：增益介质、泵浦源、光学谐振腔。

第一步：能带与粒子数反转

给半导体 PN 结加正向电压，电子与空穴注入有源区，形成高能级粒子多于低能级的反转状态。

第二步：受激辐射发光

高能电子受光子触发跃迁到低能级，释放出频率、相位、方向完全一致的新光子，实现光放大。

第三步：谐振腔选频放大

芯片两端的解理面构成光学谐振腔，光子在腔内来回反射持续放大，特定波长的光形成稳定振荡后输出，即为激光。

1.单色性

自然光属于宽光谱连续光源，由多种不同波长的光波混合组成，经三棱镜色散后可呈现连续的七彩光谱。半导体激光具有优异的单色特性，其发射光谱的谱线宽度极窄，通常仅为纳米甚至亚纳米量级，输出波长高度集中，接近理想的单色光输出。

2. 方向性

自然光以球面波形式向空间全向发散，能量随传播距离快速衰减，难以实现定向传输。半导体激光的光束发散角极小，输出光束准直度高、方向性强，可在长距离传播过程中保持较低的光斑扩散程度，具备定向能量投射与远距离高精度探测的能力。

3. 相干性

自然光的各光子之间无固定相位关联，相位分布随机无序，不具备稳定的干涉能力。半导体激光的光子在频率、相位与传播方向上具有高度一致性，时间相干性与空间相干性优异，可产生清晰稳定的干涉效应，是全息成像、光纤通信、相干探测等技术领域的核心应用基础。

4. 能量密度

激光可将能量在空间维度与时间维度上实现高度压缩，形成极高的功率密度与能量集中度。自然光的能量分布分散，面功率密度极低，仅能实现低强度的照明与热辐射。聚焦后的激光束能量密度可达极高水平，能够完成金属切割、精密微加工、医疗外科手术等常规光源无法实现的功能。

1. 材料带隙

发射波长本质上由半导体材料的禁带宽度决定：带隙越宽，波长越短（偏蓝紫）；带隙越窄，波长越长（偏红红外）。通过调整材料的合金组分，比如改变 AlGaAs 中铝的比例，或者 InGaAsP 中铟、镓的比例，可以精准设计发射波长，覆盖从可见光到中红外的广阔范围。

2. 温度

温度升高会导致半导体带隙变窄，同时谐振腔的光学长度增加，最终使波长向长波方向移动（红移）。典型的温度系数约为 0.2~0.3nm/℃，也就是说温度每升高 1℃，波长就会变长约 0.25 纳米。这也是为什么对波长精度要求高的场合都需要温控。

3. 量子阱结构

通过将有源层做薄到几个纳米的厚度，形成量子阱结构，可以利用量子限制效应改变有效带隙，从而调整波长。改变量子阱的厚度、组分、数量，都能实现对发射波长的精细调控，这也是现代高性能半导体激光器的核心技术之一。

4. 注入电流

注入电流增大时，芯片发热增加，结温上升，间接导致波长红移。同时，载流子浓度的变化也会引起折射率的改变，对波长产生影响。

半导体半导体激光器是当前所有激光器中应用场景最广、产业化规模最大、渗透程度最深的品类，是典型的通用型基础光电子器件，下游覆盖从信息通信到消费电子、工业制造、汽车、医疗、安防等数十个领域激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光测距、雷达等方面得到了广泛的应用。