激光技术是高技术的重要方面。各种激光器又是激光技术的基础。最近，激光器取得一些堪称突破性的进展。本文根据最新资料分别对其进行介绍。

一、低电耗激光器的理论进展

——可自由控制“自然放出”光

1917年爱因斯坦发现物质放出的光，可分为自发的“自然放出”光，和由于其他入射光激励而引起的“受激放出”光两大类。而激光器通常是指能发生方向性良好、位相一致相干光（激光）的器件。它的工作机理，一言以蔽之，就是通过谐振器控制，使发光物质产生“受激放出”光。

至于“自然放出”光，长期以来人们认为是无法进行人为控制的现象，然而近十年来，由于光量子电动力学的理论和实验技术的进步，人们发现如果用和波长程度差不多的微小谐振器，也能在很大程度上对“自然放出”光进行自由控制。

这一新的基础科学研究的真正起点，是1981年美国麻省理工学院（MIT）分光研究所达利厄尔 · 克勒布纳教授提出的，用谐振器可以抑制“自然放出”光的理论。

后来，MIT、巴黎高等学院、原西德的麦克斯 · 普朗克量子光学研究所都对此作了大量研究。研究是以孤立的原子、主要在微波领域进行。结果说明了，自然放出光的强弱、方向性、位相、乃至量子力学的电磁场状态，都是可以控制的。最近，不仅用原子，而且也用半导体、有机薄膜等在光领域进行了这类实验。

迄今为止，利用微小谐振器控制自然放出光，不仅是基础科学前沿的课题，而且从实现超出以往激光器概念、制造新的发光器件的角度看，也是非常吸引人的课题。

日本大阪大学基础工程系小林哲郎副教授于1982年秋的应用物理学会议上，首先提出这种控制自然放出光的发光器件。他的意见是，采用光波长大小的微小谐振器，能够实现在超低功耗下工作的“无阈值”激光器。这种想法是种独立的创造性想法，它和欧美原先只把微小谐振器作为基础科学进行研究是不一样的，但后来的研究表明，这两种研究方向可以无矛盾地结合在一起。

通常的激光器为了产生激光，存在有输入功率的下限值即“阈值”。只有输入达到阈值时，光的放大增益和谐振器的损失才能达到平衡，因此才能产生激光。所以存在这样阈值，是同激光器的谐振器（通常由一对迎面相向的反射镜组成）长度和光的波长比值，差过多的数量级有密切关系。例如，半导体激光器时，谐振器的长度为光波长的几百倍，而固体激光器和气体激光器时，更相差几十万倍乃至几百万倍。

由于这种情况，使谐振器控制的电磁场状态（又称谐振器模）在频率轴上密集存在。谐振器中物质产生的自然放出光，便同这许多的谐振器模相耦合，由于耦合所占的比例极小，所以便向自由空间逸出。因此，实际上无法把自然放出光作为光输出加以利用。当增大输入功率使其开始超过阈值时，同谐振器模相耦合的自然放出光，由于受激放出而得到放大，因此便产生激光。

如果采用和光波长度差不多的微小谐振器，则频率轴上的谐振器模变得稀稀拉拉。因此即使是只有单方向的谐振器构造，自然放出光也难逸出于自由空间，所以便以极大的比例同一种谐振器的模相耦合。

在极限的情况下，如使用只在狭窄波长范围内发光且发光效率高的材料，假定所有自然放出光都和一种谐振器的模相耦合，则激光器的输出入特性，便不存在阈值。所以不存在阈值，是由于输入功率无论对自然放出光、还是受激放出光，全都可以通过谐振器对其加以控制，使其成为得到控制的光输出。

就是在这种情况下，严格地说，通过输入的大小仍然可以区别自然放出和受激放出的区域，然而，即使是自然放出光，由于能用谐振器进行控制，因此也具有和激光接近的性质。从使用光的角度看，也可以把它看成是无阈值的激光。这就是最近刚兴起的无阈值激光器的实质。因为它在极低输入下也可以工作，所以又被称为低电耗或低功耗激光器。

二、低电耗激光器的实践进展

——用半导体也能控制“自然放出”光

无阈值的激光器工作，已经通过含有高发光效率的有机色素溶液的微小谐振器予以实现。第一个发表无阈值激光器实现工作的，是罗马大学19 R8年的一篇论文。但其实验条件和工作特性的详细情况均未说明，最近日本电气光电研究所利用可更精密控制其长度的微小谐振器，进行了弄清其输出入特性和光谱的实验。

结果表明，同普通激光器的谐振器模相耦合的自然放出光，其比例最多只能达到20%，但使用理想的无阈值激光器时，这一耦合率可达100%，可见比前者大得多。因此，在同样输入功率时，同通常尺寸的激光器相比，使用无阈值激光器时可以获得大得多的输出功率。

作为激光器的有机色素溶液，有和半导体非常相似的发光特性。它具有宽的发光波长范围、发光效率接近100%，而自然放出光的持续时间（寿命）达几纳秒。总之，它是一种非常适于模拟半导体的仿真材料 · 因此可以期待能设计、制造出适当的半导体微小谐振器，使其成为和有机色素时一样的无阈值激光器而工作。

目前，虽然还没有完全实现使用半导体材料的无阈值工作，但日本电气相NTT（日本电报电话）的研究所确实已经实现用微小谐振器构造，控制砷化镓半导体的自然放出光，因此，可以料定在不久的将来就能实现电流注入型的无阈值激光器器件。据说，无阈值工作所需宴的微小谐振器构造，同现在广被研究的垂直谐振型面发光半导体激光器的构造非常类似。

东京工业大学精密工程研究所伊贺健一教授发明的面发光半导体激光器，现在已经成为非常高性能、高可靠性的器件，这种面发光激光器的研究同微小谐振器控制自然放出光的研究结合起来，使实现无阈值半导体激光器变得更有把握，在美国，以AT&T贝尔研究所和加利福尼亚大学为首，正积极开展这方面的研究_

一旦用半导体微小谐振器实现了无阈值工作，便可把它作为高效率、超低功耗的器件用于各种用途。例如，用以实现超并行运算的光计算机，这种计算机每平方厘米面积需要集成约百万个的发光、受光器件。如果使用无阈值激光器，由于可在极小功耗下获得高强度输出光，所以可以避免目前因集成器件过多而引起的过热问题。

微小谐振器的激光器还可以成为超高速工作的器件。因为决定响应速度的重要因素之一，是光子托谐振器中的聚集时间。这一数值在微小谐振器时只有十万亿分之一秒（10^-12秒），比通常的半导体激光器小一个数量级以上。

此外，如果使用高反射体制成三维围住的光波长尺度的微小谐振器，则决定响应速度的另一个重要因素，即自然放出光寿命可缩短1~2数量级。当上述这些条件满足时，微小谐振器的激光器可成为超过100吉位/秒的器件（吉=10⁹）。

此外，从理论上还指出，利用无阈值半导体激光器即使用微小输入功率，也能产生振幅不波动的非古典状态的光、这种光可期待用于今后的超大容量光通信中。

从器件应用的角度开展研究，目前还刚刚开始，但无阈值半导体激光器开拓光器件的新前景，无疑是非常富有魅力的课题。

三、半导体激光器高性能化方面的进展

最近，半导体激光器的高性能化，在“高效率化”、“短波长化”，“高输出化”三个方面，都取得突破性进展。

在高效率化方面成绩最为突出的是索尼。它在红外半导体激光器上达到了世界的最高效率。输入的电力，有42%变换成激光。同原先的激光器相比，效率提高了约45%。此外，索尼还把这种元件按4.5微米的间隔集成成102个元件的阵列。因为提高了效率，克服了妨碍集成化的过热问题。

实现高效率化、集成化的关键在于采用了特殊的结晶成长技术。半导体激光器通过不同种类物质包围发生激光的区域，使得容易实现激光起振。以前是在平的基板上，使砷化镓等化合物半导体成层状结晶成长，然后切除掉不需要的部分，再使其结晶成长。反复地进行这样操作直到达到要求的构造。用这样的制造方法，容易在发生激光区域的边界上混入杂质，使可靠性降低。

与旧法不同，索尼开发了只用一次结晶成长操作，便可包围住激光发生区域的方法，在使砷化镓原子沿特定方向整齐排列并加工成凸状的基板上，使用MOCVD（有机金属化学蒸淀）法把铝、镓、磷所组成的材料重叠于其上。这样，在凸状上的结晶，成长成三角形，在两侧形成高低截然分明的封闭式构造。所以其边界分明、不混入杂质。

原先半导体激光器很难制成短波长元件。现在在“短波长化”上也取得突破性成果。例如，日本三洋电机开发出波长0.63微米的红色半导体激光器。作为在室温下连续起振的半导体激光器，这要算是波长最短的了。同研究中普遍使用的氦氖激光器相比，波长还要短一些。

索尼也在关键的基板上狠下工夫。在略为倾斜的基板上，用MOCVD法使材料结晶成长，使决定激光波长的条件适于形成短波长，达到了最短波长。

在“高输出化”方面，日本电气使红色半导体激光器的输出功率创世界纪录，即在室温连续起振下达到75毫瓦。它相当于以前红色半导体激光器最高输出功率的1.75倍。它是在产生光区域的两端内部出口上，通过改质使其难以吸收红色光，使得激光容易通过而不容易被吸收，因而提高了输出功率。

利用这些“高效率化”、“短波长化”、“高输出化”的成果，可以扩大激光器的应用范围。例如，索尼开发的集成半导体激光器可以用于高速激光打印机上。利用集成化了的半导体激光器上各个元件，同时进行印刷书写，可以提高打印机印刷速度、实现高速化。由于集成后的各个激光器（激光管）仍可分别控制其通或断，因而可以用作并行处理的光计算机的光源。

此外，随着短波长化，使得光盘能够高密度化，因为波长缩短，使激光束能够获得比目前更高的聚焦，因而能够读出更细的凹凸信息。例如，三洋电机的短波长激光器，就能读出相当于现在1.5倍密度的信息。

随着高输出化的进展，也可以用半导体激光器写入信息，实现小型的光记录设备，日电开发的高输出功率的半导体激光器，其输出功率已经足以将信息写入光盘。在不久的将来，将出现像卡式磁带那样使用的激光唱片（袖珍光盘记录媒体）。

四、变形超晶格激光器的进展

超晶格是由不同材料、用厚度和原子大小差不多的薄膜交替重叠而形成的半导体材料。它是由诺贝尔物理奖获得者江崎玲於奈首创的，由于量子力学效应，它有独特的电特性。

近来，由于薄膜结晶戒长技术的迅速发展而产生的一种新技术，即变形超晶格受到人们的瞩目。这是和过去一般常识相反的、特意制成容易破坏的不稳定薄膜的技术。利用这种技术制造半导体激光器正在取得累累成果，得以制成迄今还没有的新波长领域的激光器，并使其实现高输出功率。

变形超晶格是使薄膜沿平面方向拉伸再加以压缩而形成的错移了的构造。由于它被用于“量子陷阱”半导体激光器元件的发光层，即量子陷阱层中，故在许多情况下也被称为变形量子陷阱。量子陷阱激光器是使发光层减薄到不到几十纳米（纳=10^-9）的半导体激光器。

这种具有变形了的容易破坏的发光层的变形量子陷阱激光器所以引人瞩目，是由于它填补了目前半导体激光器的一段空白，使得能够制成波长在1微米左右的激光器。特别是所制成的波长为0.98微米的变形量子陷阱激光器，能够直接把微弱的光信号进行放大，而不像过去光通信中那样要先把光变成电再进行放大，因而可以用作光通信中的中继器，这具有重大意义。难怪许多厂家都投入巨大力量开发。

NTT试制成的波长0.98微米的变形量子陷阱激光器已连续起振5000小时，据计算其实用水平的寿命可确保为10年左右。日本电气正在追赶NTT，也创下了连续起振几千小时的记录。此外，古河电气工业为了使激光器容易制造，利用自己独特的难以氧化材料进行开发，结果得到了120毫瓦的高输出功率。

所以能够得到新波长的激光管、是由于采用了变形量子陷阱构造，使得可以使用新材料作为发光层。半导体激光管是像个“夹心面包”那样的构造，它的核心部分发光层相当于中间部分的“火腿”，而外面由阻挡层这样“面包片”夹着。以前的量子陷阱激光器，只能通过发光层的厚度进行调节，而变形量子陷阱激光器还可以改变发光层的材料进行调节。

以前，对量子陷阱层只能使用一种材料，已经成为一种常识，因为发光层的晶体间距要和阻挡层的晶体间距一致，才能使晶格排列整齐。如果改变材料的成分，就会使两层的晶体间距不一软，发光层将由于变形而受到压缩力或拉伸力，因而容易破坏。

变形超晶格激光器正好同这种常识背道而驰，通过改变成分使用了易于破坏的发光层。不过，发光层极薄，只有几层原子那么厚、因此阻挡层的力足以把发光层压紧，所以用不着担心发光层破坏。正是由于这个原因，使薄膜结晶成长技术有用武之地，而获得迅速发展。

变形超晶格激光器除了可作为光中继器外，作为超小型高可靠性的半导体激光器，有可能用以取代使用较麻烦的波长1.06微米的YAG（钇铝柘榴石）激光器。

变形量子陷阱改变了以前认为变形总是造成不良后果的观念，提高了半导体激光器特性。如住友电气工业开发了只用过去一半的、小到18毫安的电流，便可实现可见光起振的半导体激光器。这种首创的成果就是通过使其变形，激活了材料中电荷的动能而获得的。

顺便提一下，这种新技术除了用于半导体激光器外，NTT还用它成功地开发出半导体光放大元件，可以把波长一样、类型不同的光信号集中起来予以加强，因此，变形超晶格今后除了可用以提高变形量子陷阱激光器性能外，还可用于HEMT（高电子迁移率晶体管）等具有超晶格构造的器件，获得广泛的应用。

［据《日经产业新闻》1990、1991年多篇报道编写］