半導體激光器的輸出波長取決于發(fā)射層中材料的帶隙。早期，半導體二極管激光器中的帶隙由二元III–V族化合物的性質(zhì)決定，隨后技術上的進步使得通過調(diào)節(jié)半導體的組分和結構來調(diào)節(jié)波長成為可能。

首先是發(fā)展三元化合物，如鎵鋁砷（GaAlAs），它能夠與砷化鎵（GaAs）襯底晶格匹配，當鋁的成分增加時，發(fā)射波長藍移。然而，GaAlAs并不能夠與GaAs的晶格非常好地匹配，因此較關鍵的一步是四元化合物，如InGaAsP，這提供了匹配晶格間距以及所需波長的第二個自由度。MIT林肯實驗室的J. Jim Hsieh實現(xiàn)了這一步，1977年他報道了室溫下運行的InGaAsP激光器輸出1.25µm的激光。^[10]隨后不久，也是在InP襯底上，成分略有不同的InGaAsP激光器問世，應用于1.3µm和1.55µm的低損耗光纖窗口。通過調(diào)整四種元素的組分，InGaAsP激光器的輸出波長覆蓋了一個重要的波長范圍。

圖解：激光手術所需的直接帶隙的III - V族化合物的半導體二極管激光器的波長與晶格間距之間的關系。（LEDC摘自LaserFocusWorld China）

通過優(yōu)化GaAs襯底激光器的發(fā)射材料組分，可將其輸出波長拓展到紅光范圍，例如使用AlGaInP可使輸出波長短至620nm。此后，1996年日亞公司（Nichia）的Shuji Nakamura發(fā)明了氮化銦鎵（GaInN）半導體激光器，激光跨入了光譜的藍光波段（編者按：據(jù)中科院院士甘子釗在前不久在深圳西麗舉辦的“12th全國LED產(chǎn)業(yè)研討與學術會議”上指出：目前綠光激光器的研究就中村團隊有所進展）。藍光半導體激光器目前屬于標準產(chǎn)品，但綠光半導體激光器仍然很難實現(xiàn)。在今年1月份的Photonics West 2010會議上，startup Kaai公司的Nakamura報道已經(jīng)開發(fā)出了523nm的InGaN半導體激光器，填補了在半導體激光器在輸出光譜中的空缺。

光泵浦使半導體激光器能夠?qū)崿F(xiàn)其他輸出波長，同時避免了需要高電流密度通過半導體。這擺脫了設計上的約束，因此量子阱結構能夠?qū)崿F(xiàn)其他激光器無法得到的波長。泵浦二極管照射薄半導體碟片的表面，該碟片的表面附近具有量子阱層，量子阱在外腔中共振并發(fā)光，產(chǎn)生高強度、高質(zhì)量的光束。這些裝置被稱為OPSL（光泵浦半導體激光器）或VECSEL（垂直外腔表面發(fā)射激光器），基本輸出在近紅外，可在激光腔內(nèi)倍頻成可見光。其設計可與特定波長匹配，如氦鎘激光器的441nm激光，或治療糖尿病視網(wǎng)膜病的557nm黃光。

另一種新穎的結構是1994年由貝爾實驗室的Federico Capasso發(fā)明的量子級聯(lián)激光器，這種激光器中的電子在一個偏置的半導體中通過量子阱堆疊。在每個量子阱中，電子落到導帶中更低的次能級，并發(fā)射一個光子，這個光子的波長取決于激光器的結構和組成。量子級聯(lián)激光器提供了獲得中、遠紅外波段難以實現(xiàn)的激光波長的方便途徑，還可用于產(chǎn)生太赫茲頻率。

 此外，非線性光學提供了產(chǎn)生新的波長的強大工具。高功率飛秒脈沖的高次諧波產(chǎn)生，可以產(chǎn)生極紫外波段的相干光。非線性過程可以產(chǎn)生一個倍頻程或更寬的超連續(xù)譜，以及飛秒頻率梳，這是一項獲得諾貝爾獎的創(chuàng)新，能夠以驚人的精度測量光頻。 

本段文字摘自《激光世界》2010年7月刊封面故事 “激光五十年 — 激光器的輸出波長在光譜上不斷拓展”。