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2018-05-01半導體雷射—點燃雷射商品化的火種
581 期
Author 作者
許晉瑋／中央大學電機系教授。
在人類歷史中曾經經歷過許多轉捩點，讓我們的生活有了突破性的改變，例如火在生活中的應用、鐵器的使用、引擎的發明、電力的發明和普及。就筆者的觀點，在 20 世紀中最重要的發明是「電晶體」和「雷射」，這兩項重要的發明石破天驚般的改變了人類的文明發展。在現今的生活中，我們也隨時隨地享受著這兩項發明所帶來的便利甚至是負擔。
和電晶體的歷史相比，雷射大概年輕了13 歲（1960 年與1947 年）， 但是它的相關應用和普及性卻絕對不會相形遜色。以 2017 年最火紅的iPhone X為例，裡面就有許多雷射的蹤影。其和相對應的微光學元件搭配後，主要是用來當作臉部辨識的關鍵性元件。除此之外，新一代的HDMI纜線因為超高畫質電視（4 K×8 K）的問世， 也必須使用雷射和光纖來傳遞資料，以負荷如此巨量和即 時的影音資訊。然而，若是回顧1960年，人類第一台展示的紅寶石雷射，體積龐大、需要高壓電驅動，無法連續波操作等缺點都大大限制其微型化和商品化的終極目標。
在此篇文章中我們將介紹讓雷射技術商品化的火種：半導體雷射。它的角色如同希臘神話中的普羅米修斯，為雷射技術點燃了希望的火焰和光明。
電流注入才是王道
在自然界中，常常見到生物體所發出的可見螢光，然而要發現自然產生的雷射現象光芒事實上不太可能。這是因為雷射現象要發生，一定需要將滿足特定強度的能量密度，注入雷射共振腔，其內有能夠產生光學增益的介質。才能使介質中的居量反轉發生產生雷射光。如何將能量有效率且方便的饋入增益介質，便是雷射是否方便使用的關鍵。
一般說來，我們有幾種把能量饋入的方式，例如說使用強光（閃光燈），讓增益介質發生化學變化，或是利用高壓電弧光放電的效應。如圖一所示，為世界上第一支所展示的雷射 ：紅寶石雷射。我們可以看到，為了將能量饋入增益介質紅寶石中，發明人使用高強度的閃光燈照射紅寶石。
然而，此方法無法連續讓紅寶石產生雷射光，而且閃光燈本身也需要類似真空管的結構，不僅需要高壓電驅動，也無法微型化。綜上所述，我們能了解若要輕鬆簡易的產生雷射，最容易的方法應該就是直接把電流注入增益介質，讓其居量反轉。但是紅寶石本身為絕緣體，電流根本灌不進去，而半導體雷射的誕生就如同救世主般的一樣種要。……【更多內容請閱讀科學月刊第581期】