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廉价的5mW红色激光笔
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一般做实验都是越贵的仪器越好，但是这个实验则是越便宜的仪器（激光笔）越好，如材料列表里的那种其貌不扬的红色激光笔。注意，它的整个笔杆是连成一个整体的，电池从左边塞入，激光从右边射出。有贵一些的激光笔是从中间拧开装入电池的，一般不适合做本实验。如果读者能像我一样碰到一支做工极为粗糙的激光笔，那可真是幸运！因为这样就可以一探激光二极管的核心部件了[4]。
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一般这种激光笔的发光元件—激光二极管—就位于笔头上银白色的那一块。它的生产过程大概是先把激光二极管及开关电路装到银白色的笔头上，然后涂上胶水，插入笔管中固定。所以要得到其中的激光二极管，需要用钳子将笔头拔出来。如果一切顺利，我们将看到如图2.11所示的部件。
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图2.11 激光笔的内部部件
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此激光笔简陋，我们可以把激光二极管的核心，即真正参与发光的半导体器件都分离出来，见图2.12（我已经焊接了两根导线在上面以便加电压）。
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图2.12 激光二极管的核心（发光半导体）
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实际上，我们在图2.12中看到的并非整个都是发光半导体，大部分都只是方便焊接电极的铜片。最终发射激光的部分，是在中间的那个凸起（图2.12中红色虚线圆圈内）上的很小一块晶体。眼神不如我的人还不容易看清，我们可以求助于显微镜来看个仔细，如图2.13所示。
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图2.13 显微镜下的激光二极管
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更进一步放大，可以看清发光晶体的细微结构（见图2.14）。
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图2.14 更进一步放大的发光晶体
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从图2.14中可以看出，发光晶体的大小实际上只有0.1mm2左右。我们不得不由衷地感叹纳米技术的进步，使得我们可以在一根针尖大小的物体上制造出如此复杂的结构来。了解了它的外观以后，我们就可以给它加电压，使它产生激光了。注意，由于我们不清楚多大的电压会损伤发光晶体（从激光笔使用两节1.5V的电池来估计，它的工作电压大概在3V），所以我用了一个可调直流稳压电源给它供电，这样我们可以一点点地给它加电压直到发光为止。这样的电源在以后的实验和制作中还会用到，是非常值得为之投资的得力助手（在网上不足100元就能买到不错的）。另外，我们也不清楚正负极的接法（图2.13中的正负极标注是经过尝试以后才明确的）。所以在一个方向加电压到了2V如果还没有发光，那证明正负极接反了。这些细节弄清楚以后，慢慢地调高电压，我们就能看到晶体发出耀眼的红色激光了（见图2.15）。
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图2.15 发光晶体产生激光
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看到这里，读者一定在想我是不是搞错了，图2.15展示的真的是激光吗？为什么光斑是这么大一片？另外，在“基本原理”那一节中我们强调了两面反射镜作用的重要性，而从这块小小的发光晶体上，我们根本看不到这两面镜子啊！
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这一切疑惑都可以从激光二极管的构造中得到解答。激光二极管和一般的LED是本家亲戚，都是属于发光二极管大家庭的，而这个家庭又是二极管这个大家族里最光彩照人的一支。所有二极管的基本构造都是把两种半导体（比如混合了不同杂质的硅晶体）连接在一起（见图2.16），一种称为P型半导体，另一种称为N型半导体。就像电子在气体原子中有分立的能级一样，当原子组成半导体时，其中的电子也有高能级和低能级之分。当P型和N型半导体结合在一起时，它们的能级在交汇处（称为PN节区域）会发生弯曲。正是这个小小的弯曲决定了二极管只向一个方向导通，而另一个方向截止的性质（当我们在P型半导体上加正电压、N型半导体上加负电压时，二极管电阻很小；如果反过来加电压的话，电阻就非常大。前者被称为正向偏压，后者为反向偏压）。
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图2.16 二极管基本构造
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当我们加上正向偏压时，电子的流动过程如图2.17所示。注意，在PN结区域，电子从高能级跳到了低能级。根据我们在“基本原理”里的讨论，电子从高能级跳到低能级是要放出能量的，对原子来说，这部分能量只能通过光子的形式释放出来。但是，当原子形成晶体以后，释放能量的方式就多样化了，一般的二极管并不会发光，就是因为它们把这部分能量变成了热能。我们的电脑之所以会发热得厉害，就是因为里面有亿万个PN结正在热火朝天地工作着。但并不是所有的二极管都发热，某些半导体材料就更加倾向于发光（比如砷化镓）。用这些材料制造的二极管就是我们熟悉的LED（Light Emitting Diode）。
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