深入了解激光二极管：原理、特性与发光二极管的区别

激光二极管又称半导体激光器，是一种能够产生激光的半导体装置。它的运作基于受激辐射原理，当电流注入P-N结或P-I-N结构时，电子与空穴在异质结构中复合，释放的能量以光子形式表现，这些光子在器件内部的两个反射镜面之间往复，通过受激辐射过程得到放大，最终导致激光振荡产生激光束。激光二极管的特点是相干性高，产生的光具有单一波长和相位，同时它还具备效率高、体积小、寿命长等优点。根据PN结材料的不同，激光二极管可分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）等类型，其中量子阱激光二极管因阈值电流低、输出功率高而成为市场应用的主流。不过，激光二极管的输出功率相对较小（通常小于2mW），且线性度较差、单色性不够理想，这限制了它在某些领域如高质量模拟信号传输中的应用。

主要技术参数

• 激光波长：激光二极管的工作波长。可用作光电开关的激光二极管的波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等，下图为常见激光波长对应的颜色：
• 阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡时的电流。对于一般的低功率激光二极管，其值约为几十毫安，而具有应变多量子阱结构的激光二极管的阈值电流可低至10mA以下。
• 工作电流Iop：激光二极管达到额定输出功率时的驱动电流。这个值对于激光驱动电路的设计和调试更为重要。
• 工作电压Vop：发出指定光输出所需的正向电压。
• 光输出功率Po：最大允许瞬时光功率输出。这适用于连续或脉冲操作模式。
• 暗电流Id：光电二极管反向偏置时的漏电流。暗电流取决于温度和电压，
• 理想的二极管/光电二极管没有相反方向的电流。
• 微分效率η：指单位驱动电流的光输出增加量。它表示激光振荡场中光输出线相对于正向电流的倾斜度。
• 垂直发散角θ⊥：是激光二极管的发光带在PN结垂直方向上张开的角度，一般在15~40°左右。
• 水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在平行于PN结的方向上张开的角度，一般为6~10°左右。
• 监测电流Im：是指激光二极管在额定输出功率时PIN管上流过的电流。

激光二极管工作原理

激光二极管的发光原理可以用下图来简单说明：激光二极管中的PN结是由两层掺杂的GaAs层形成的。它有两个平端结构，一个平行于一端（高反射表面）镜像，一个部分反射。发出的光的波长与连接的长度完全相关。当 PN 结受到外部电压源的正向偏置时，电子会像普通二极管一样穿过结并重新组合。当电子与空穴复合时，就会释放光子。这些光子撞击原子，导致更多的光子被释放。随着正向偏置电流增加，更多电子进入耗尽区并导致发射更多光子。最终，一些在耗尽区随机漂移的光子垂直撞击反射表面，沿着原来的路径反射回来。反射的光子再次从结的另一端反弹。 

光子从一端到另一端的这种运动连续发生几次。在光子运动过程中，由于雪崩效应，更多的原子释放出更多的光子。这种反射和产生越来越多光子的过程会产生非常强烈的激光束。上述发射过程中产生的每个光子在能级、相位关系和频率方面与其他光子相同。因此，发射过程给出单一波长的激光束。为了产生激光束，激光二极管的电流必须超过一定的阈值水平。低于阈值水平的电流迫使二极管充当 LED，发出不相干的光。

更简单地说，如下图所示，注入电流产生的光在2个镜子之间来回放大，直到激光振荡。简单来说，激光二极管也可以说是通过镜子放大光线的发光LED。

激光二极管驱动器

激光二极管具有体积小、重量轻、功耗低、驱动电路简单、调制方便、耐机械冲击、耐振动等优点，但对过流、过压、静电干扰极为敏感。应特别注意不要使其运行参数超过其最大允许值。可以使用的激光二极管驱动方法如下：

① 用直流恒流源（如用LM317搭建的恒流驱动电路）驱动激光二极管。

②激光二极管电路串联限流电阻，并联旁路电容。

③随着激光二极管温度的升高，流过其的电流值也会增大。因此，必须采取必要的散热措施，保证设备在一定的温度范围内工作。

④为避免激光二极管因反向电压过大而击穿损坏，可在激光二极管两端反并联快速硅二极管。

激光二极管的特性之一是可以直接通过电流调制输出光的强度，因为输出光功率与输入电流之间的关系大多是线性的。在实际应用中，通常采用APC（自动功率控制）电路来驱动激光二极管，该电路利用同一封装中内置的光电二极管PD，使其能够接收LD发出的光，进行反馈并监控LD的输出管，使激光管LD的输出达到恒定的所需光功率。下图是一个更简单的激光二极管。

APC激光二极管驱动电路：

激光二极管的工作特性

1. 阈值特性

对于激光二极管来说，当施加的正向电流达到一定值时，输出光功率会急剧增加，此时会发生激光振荡。该电流值称为阈值电流，用“It”表示。

阈值特性可以用输入输出特性曲线来表示。我们知道，激光器是一种将电信号转换为光信号的器件，因此其输入可以用工作电流来表示，其输出可以用输出光功率来表示。

在转换的过程中，当我们给激光二极管加上电流的时候，这个时候它是可以发光的，但是这个时候的光是比较弱的。如果我们继续增加工作电流，当增加到一定值时，输出光功率会突然增加，也就是说它有一个拐点，从发出较弱的光到发出比较强的光，有一个拐点点，这个拐点称为阈值电流。该阈值电流是用于测量激光器何时发射激光的电流值。如果施加的正向电流小于阈值电流，此时激光器也会发光，但发出的光很弱，属于荧光。只有当超过阈值电流时施加正向电流，此时激光器发出的光才属于激光器。

为了使光纤通信系统稳定可靠地工作，它越小越好。

2. 光谱特性

当I<It时，荧光、广谱、弱光强

当I>It时，激光，光谱窄（光谱窄，含有的频率成分少，这样的光注入光纤传输时，产生的色散会减小，色散小，信号的失真也小，更有利于提高传输特性），光强（信号传输可以更远）

单模激光器

发射的激光为单纵模，其对应的谱线只有一条谱线。

多模激光器

发射的光是多纵模的，对应于多光谱线。

根据共振频率公式

当q取值时，对应的频率称为单纵模，多纵模会同时发射q对应的多个频率。显然，单模激光器的特性会比多模激光器更好。

一般观察激光器的光谱特性时，光谱曲线最高点对应的波长为中心波长，功率比最高点低3dB时曲线上的宽度为光谱线宽。

3、温度特性

激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性称为温度特性。

当温度升高时，阈值电流增大，输出光功率减小

当温度降低时，阈值电流减小，输出光功率增大

为了使光纤通信系统稳定可靠地工作，一般采用各种自动温控电路来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。

同时，随着使用时间的增加，阈值电流也会逐渐增大。

4、转换效率

半导体激光器是直接将电能转换为光能的器件。

电源转换效率常用来衡量转换效率：

功率转换效率np定义为输出光功率与消耗电功率的比率。

其中R——是与激光器的内量子效率、激光波长和模式损耗有关的常数

V——工作电压

It - 阈值电流

I——工作电流

激光二极管应用

激光二极管充分利用直线性、光斑尺寸小（几um~）、单色性、高光密度和相干性等特点，应用于各种应用。

最近，还使用了运动传感器、HDD 热辅助磁记录和照明（投影仪、头灯）。

下面总结了激光二极管应用的使用示例。

激光二极管LD和 发光二极管LED 的区别

激光二极管 LDVS发光二极管 LED

下表总结了激光二极管LD和发光二极管 LED 之间的差异。

由于激光二极管的谱宽是单波长窄、相位均匀、方向性高的光，因此具有易于能量控制的特点。

在其它方面

发光原理：

LED：发光二极管利用电子与空穴的自发辐射复合过程来产生光。这些光子的方向和相位是随机的，导致LED发出的光是非相干光，具有较宽的光谱范围。

LD：激光二极管同样基于电子与空穴的复合，但它是通过受激辐射过程产生光子，这意味着产生的光子具有相同的方向和相位，形成相干光源。这种机制使得激光二极管能够输出高度单色性和方向性的光束。

工作原理与结构：

LED：在结构上，LED没有光学谐振腔。注入的电流使有源区发光，光在各个方向上发散出去，发散角度较大。

LD：激光二极管内部设计包含光学谐振腔，通常由两个反射面构成，这有助于光子在腔内来回反射并受激放大，最终形成激光输出。这一结构确保了光能沿特定方向高效发射。

效能：

LED：LED的光谱密度较高，但输出光功率相对较低，光束发散角较大，适用于大面积照明或显示应用。

LD：激光二极管具有更高的光功率输出，光束集中，发散角小，适合需要高强度、远距离传输或精确聚焦的应用，如光纤通信、激光打印、激光指示器等。

应用领域：

LED：因其光效高、寿命长、环保等特性，广泛应用于一般照明（如家居、商业照明）、显示屏、信号指示灯、汽车照明等领域。

LD：由于其单色性好、方向性强和能量集中等特点，主要应用于高精度测量、数据存储、激光医疗、激光切割焊接、光通信（作为光纤激光器的泵浦源）等领域。

虽然激光二极管和发光二极管都属于半导体光源，但激光二极管通过其独特的受激辐射机制和光学谐振腔设计，实现了更高效、更集中的光线输出，适用于对光品质有更高要求的应用场景。