激光（Laser）是“受激辐射光放大”的简称，是一种亮度极高、方向性和单色性很好的相干光辐射。产生激光的跃迁过程是：自发辐射、受激吸收与受激辐射，可以用一个简单的两能级系统来定性说明，如图1所示。在这个两能级系统中E）是基态，马是激发态。电子在这两个能级之间的跃迁必定伴随着吸收或发射频率为v的光子，且hv=E2-E1。在直接带隙半导体中，在热平衡条件下，导带和价带内分别占有一定的电子和空穴。而电子处于激发态时不稳定的原子必然会跃迁回到基态，即导带电子以一定的几率随机地跃迁到价带与空穴复合，并以光子形式释放出能量。这种不受外界因素的作用而发射光子的过程称为自发辐射，如图1（a）所示。这是半导体发
半导体激光器，作为现代电子科技中的重要组成部分，其工作原理基于量子力学的受激辐射理论。激光的全称是“受激辐射光放大”，它的特性包括极高的亮度、优秀的方向性和单色性，以及良好的相干性。这些特性使得激光在通信、医疗、材料加工、科学研究等领域有着广泛的应用。
激光的产生涉及三个关键过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。在一个简单的两能级系统中，E1代表基态，E2代表激发态。电子在两个能级间跃迁时，如果从高能级E2跃迁到低能级E1，会释放出一个频率为v的光子，其能量hv等于两能级间的能量差，即hv = E2 - E1。在半导体中，特别是直接带隙半导体，电子在热平衡状态下位于导带，空穴位于价带。当电子从导带自发地跃迁回价带并与空穴复合时，会以光子形式释放能量，这就是自发辐射的过程。
受激吸收是指当一个处于基态的原子吸收一个具有适当能量hv的光子后，被激发到激发态。而受激辐射则是指处于激发态的原子在遇到另一个光子时，立即跃迁回基态并发射出与入射光具有相同特性的光子。这两个过程同时存在，但为了产生激光，需要实现粒子数反转，即激发态的电子数超过基态的电子数。
粒子数反转状态可以通过泵浦机制来实现，比如通过外部电场或光场激发半导体，将更多的电子从价带推进导带，形成电子-空穴对。根据费米分布理论，只有当电子和空穴的准费米能级之差大于光子能量hv时，才可能实现受激辐射，同时hv必须大于或等于半导体的禁带宽度g。
在粒子数反转的情况下，受激辐射过程会超过受激吸收，导致系统中发射的光子数量多于吸收的光子，形成光量子放大。这种放大效应在激光谐振腔内得到进一步增强，因为谐振腔可以反射并多次通过激光介质，从而极大地增加了受激辐射的机会。最终，激光介质中的光子密度迅速增加，形成强烈的激光束。
半导体激光器的工作依赖于电子在能级间的受控跃迁，通过粒子数反转和光量子放大机制，实现激光的高效产生。理解这一过程对于设计和优化半导体激光器的性能至关重要，也是电子工程和光学技术的基础知识。
