雷射的发展历史

LASER是“light amplification by stimulated emission of radiation”的缩写，台湾音译为雷射，中国大陆意译为激光，意指光在受激发放大情况下所产生的同调光源。在1964年诺贝尔物理奖颁发给公认雷射理论奠基者包含Charles Townes, Nikolay Basov 与Alexander Prokhorov三人之前，不同种类的雷射以及相关专利已经陆续被实际制作出来，包括1960年在休斯实验室 （Hughes Research Laboratories）任职的梅曼（Theodore Maiman）［1］利用闪光灯脉冲光源激发红宝石晶体产生有史以来第一道人造的同调光源，发光波长为694.3nm，同一年任职于美国电话电报公司（AT&T）贝尔实验室（Bell Lab.）的AliJavan，William Bennett和Donald Herriott成功制作了第一台利用氦气和氖气作为增益介质的气体雷射（HeNe laser）［2］，这也是第一个连续波（continuous wave, CW） 操作的雷射光源，发光波长为1153nm［3］，半年后另一团队所制作的氦氖雷射发光波长632.8nm成为稍后较为普遍被采用的红光雷射光源［4］。

Ali Javan与Nikolay Basov提出利用半导体材料制作雷射二极体的构想，但是稍早在1956年的时候日本东北大学的西泽润一教授已经提出雷射二极体的专利申请，甚至比1958年Gordon Gould提出LASER名词缩写的时间都还要更早。在1962年Robert N.Hall首次利用砷化镓（GaAs）材料同质接面（homojunction）结构制作出第一个雷射二极体［5］，发光波长为842nm，可以在77K液态氮温度下脉冲操作（pulse operation），同年Nick Holonyak Jr.教授在任职于通用电气公司（General Electric Co.） 时率先采用磷砷化镓（GaAsP）制作出第一个可见光波段的红光半导体雷射二极体［6］并发明了第一个红光发光二极体 （light emitting diodes, LED），在1962年底前GE已经开始贩售Robert N. Hall开发的砷化镓雷射二极体和Nick Holonyak Jr.教授开发的磷砷化镓雷射二极体与发光二极体，其中红光LED一颗售价260美元，砷化镓红外光雷射二极体售价1300美元，磷砷化镓红光雷射二极体售价2600美元，同时期德州仪器公司（Texas Instruments, TI） 贩售的砷化镓红外光发光二极体售价为130美元。

在1969年时任职于贝尔实验室的林严雄（Izuo Hayashi）和Morton Panish利用P型砷化铝镓一砷化镓单异质接面结构（p-AlGaAS/p-GaAs heterostructure）首次制作出可以在室温下连续波操作的半导体雷射二极体 ，任职于美国无线电公司RCA的HenryKressel也采用类似结构［10］，同时期Zhores I.Alferov和Herbert Kroemer分别在俄国和美国发展出具有双异质接面结构（double heterostructure, DHS）的半导体雷射［11］与高速双载子电晶体（heterojunction bipolar transistor, HBT）制作技术，采用该方法作为半导体雷射主动层增益介质可以有效提升注入载子局限（carrier confinement）能力，显著降低达到雷射输出所需的阈值电流（threshold current）值，该技术迅速提升半导体雷射操作特性，使得雷射技术更为实用，因此两人连同积体电路发明人之一的Jack Kilby共同获颁2000年诺贝尔物理奖。

时至今日有许多不同的材料可以用来作为雷射操作所需的增益介质，包括各种固态晶体（例如最早发出雷射光的红宝石雷射、掺钇铝石榴石雷射Nd:YAG laser［12］）、气体（例如氦氖雷射、二氧化碳雷射等）、染料雷射、化学雷射、准分子雷射、光子晶体雷射、光纤雷射甚至不需要增益介质直接借由调控电子运动发出同调的电磁波的自由电子雷射，但是其中应用范围最广泛的仍然非半导体雷射二极体莫属。

半导体雷射已经成为现代资讯社会中最重要的光源之一，也是引领人们进入网路资讯数位时代不可或缺的原动力。目前半导体雷射在电子资讯领域最重要的应用可大致区分为光资讯与光通讯两大主轴；而依照元件结构的主要差异，半导体雷射又可区分为边射型雷射（edge emitting laser, EEL）与垂直共振腔面射型雷射。其中较晚开始发展的面射型雷射技术与传统边射型雷射结构相较之下具有许多先天上的优点，因此在光资讯与光通讯的应用上具有显著的优势。