激光LD/VCSEL前景无限，你真的明白为何激光要登上大舞台

看过科幻片的朋友，一定忘不了星球大战里的激光武器吧！绝地武士们手持光剑用力一挥，任何坚硬的金属都会应声而断，在电影生化危机中，网状的激光光束向特种部队迎面而来，只见一个人瞬间被切成一块块的「人排」，听起来有点恶心，到底什么是激光呢？激光真的有这么神奇吗？

形成"激光"，先完成两个重要步骤

「激光（Laser）」是「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」的缩写，意思是「利用激励放射来增加光的强度」，所谓的「激励放射」其实就是完成两个重要的步骤，第一个是「能量激发（Pumping）」，第二个是「共振放大（Resonance）」：

能量激发（Pumping）

固体激光（大多使用光激发光）属于「原子发光」，前面曾经介绍过原子发光的原理为，外加能量（光能或电能）激发掺杂原子的电子由内层能级跳到外层能级，当电子由外层能级跳回内层能级时，将能量以光能的型式释放出来，如图二（a）所示。半导体激光（大多使用电激发光）则是属于「半导体发光」，前面曾经介绍过半导体发光的原理为：外加能量（光能或电能）激发半导体的电子由价带跳到导带，当电子由导带跳回价带时，将能量以光能的型式释放出来，如图二（b）所示。

要发出激光，受激辐射是最基本的条件，如图二（c）所示，能量激发有「光激发光（PL）」或「电激发光（EL）」二种方式，不论使用那一种方式都可以产生激光，光激发光（PL）是外加光能使电子跳跃；电激发光（EL）则是外加电能使电子跳跃，将在后面详细介绍。

图二　能量激发的原理

谐振放大（Resonance）

在发光区外加一对「谐振腔（Cavity）」，谐振腔其实可以使用一对镜子组成，如图三所示，使光束在左右两片镜子之间来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应，使光的能量放大。

光激发光（PL：Photoluminescence）?我们以「钛蓝宝石激光（Ti Sapphire laser）」为例，先在蓝宝石内掺杂钛原子得到钛蓝宝石晶体，在晶体四周放置许多高亮度的光源（发出某一种波长的光）对着晶体照射，当晶体吸收光能产生「能量激发（Pumping）」，则会发出另外一种波长（颜色）的光。发射出来的光经由左右两个反射镜来回反射产生「谐振放大（Resonance）」，由于右方的反射镜设计可以穿透5％的光，所以高能量的激光就会由右方穿透射出，如图三（a）所示。

电激发光（EL：Electroluminescence）我们以「砷化镓激光二极管（GaAs laser diode）」为例，先在砷化镓激光二极管芯片（大约只有一粒砂子的大小）上下各蒸镀一层金属电极，对着芯片施加电压，当芯片吸收电能产生「能量激发（Pumping）」，则会发出某一种波长（颜色）的光。发射出来的光经由左右两个晶体镜面反射镜来回反射产生「谐振放大（Resonance）」，由于右方的反射镜设计可以穿透5％的光，所以高能量的激光光束就会由右方穿透射出，如图三（b）所示。

图三　激光产生的原理哪一种激光最深刻影响我们的生活？

激光的种类可以分为：气体激光、液体激光、固体激光与半导体激光，严格来说，半导体激光也是固体激光的一种，但是由于目前商业上半导体激光的使用量很大，例如：光学读取头、光通讯光源、激光指示器等，所以激光已经深刻影响着我们的生活，而激光二极管又可以分为边射型激光与面射型激光，这次参加2017年VCSELs（面射型激光）创新技术与应用研讨会的主题就是面射型激光。在进入主题前，我还是恢复我的风格，用科普式的语言说起！

激光二极管（LD：Laser Diode）

1、激光二极管的定义

前面介绍的四种激光，只有半导体激光的体积最小，成本最低，而且只需要外加一颗小小的电池就可以使用，因此可以广泛地应用在各种电子产品中 。

2、激光二极管的种类

激光二极管（LD）的构造如图四（a）所示，外观呈圆柱形，通常会依照封装的不同而有不同的形状，但是真正发光的部分只有「芯片（Die）」而已，芯片的尺寸与海边的一粒砂子差不多，这么小的一个芯片就可以发出很强的光，由于激光二极管的芯片很小，所以一片两吋的砷化镓晶圆就可以制作数千个芯片，切割以后再封装，形成如图四（b）的外观，激光二极管的制程与硅晶圆的制程相似，都是利用黄光微影、掺杂技术、蚀刻技术、薄膜成长制作。

图四 边射型激光二极管LD的外观与构造

激光二极管有很多的应用，我在去年八月第一篇行家说文章已经介绍了激光的显示与照明两个用途，并且分析了这两个用途的前景尤其是氮化镓绿光激光成功之后可能的激光电视与激光投影前景。而激光照明的应用也特别