1701075437
1701075438
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。
1701075439
1701075440
1701075441
1701075442
1701075443
图2.13 显微镜下的激光二极管
1701075444
1701075445
更进一步放大，可以看清发光晶体的细微结构（见图2.14）。
1701075446
1701075447
1701075448
1701075449
1701075450
图2.14 更进一步放大的发光晶体
1701075451
1701075452
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）。
1701075453
1701075454
1701075455
1701075456
1701075457
图2.15 发光晶体产生激光
1701075458
1701075459
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！
1701075460
1701075461
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）。
1701075462
1701075463
1701075464
1701075465
1701075466
图2.16 二极管基本构造
1701075467
1701075468
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）。
1701075469
1701075470
1701075471
1701075472
1701075473
图2.17 正向偏压时电子流动
1701075474
1701075475
既然二极管可以发光，那么我们就应该可以让它发出激光，在第一台激光器发明之后，科学家立刻开始了如何让二极管产生激光的研究工作。根据前面的描述，要产生激光还得有两面反射镜，使得光子在PN结中来回反射，诱发“受激辐射”。但是上哪儿找那么小的镜子可以安装到一个不到0.1mm2的PN结两端呢？聪明的研究人员想出了一个就地取材、不费一兵一卒的好法子，他们发现当半导体晶体的表面经过精确地切割和打磨以后，就像镜子一样具有极高的反射率。这样一个二极管的两端就可以做成两面天然的镜子（见图2.18）。从PN结中发出的垂直于这两个端面传输的光子会被来回反射，在PN结中激发更多的电子从高能级跳到低能级，并发出越来越多一模一样的光子，形成激光。一般来说，这两面“镜子”的折射率都差不多高，所以相同强度的激光可以从两个方向射出，我们通常看到的只是其中的一支。
1701075476
1701075477
1701075478
1701075479
1701075480
图2.18 二极管如何产生激光
1701075481
1701075482
同样，激光二极管的构造也能解释为什么它发出的激光不是我们常见的纤细的一束光线，而是扩散得很大的一个光斑。我们在高中物理课上曾学过光的衍射，知道光波有个怪脾气（实际上所有的波动都有这个怪脾气），那就是当我们让一束光通过一个小孔时，孔径越小，光就散得越开。似乎是压迫得越厉害，反抗得就越强烈。我们可以看到，一个激光二极管的尺寸在0.1mm2以下，而其中真正产生激光的区域则还要小得多（见图2.19）。当激光从这个小的区域中射出时，根据光的衍射，自然就会产生很大的光斑。而在开始提到的氦氖激光器中，激光产生区域的尺寸与装有低压氦氖混合气体的中心玻璃管直径相当（约为0.5 cm），激光感受不到什么约束，所以产生的就是一束完美的细线了。从图2.19中我们还可以看到，二极管产生的激光在垂直于PN结的方向受到更多约束，从而那个方向的光斑扩散得更为严重。这也正是我们在图2.15中看到的现象。
1701075483
1701075484
1701075485
1701075486