Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔半導(dǎo)體激光器PPT課件

1、一、半導(dǎo)體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理二、激光二極管產(chǎn)生激光的特點(diǎn)三、外腔結(jié)構(gòu)四、機(jī)械設(shè)計(jì)五、電流控制恒流源六、溫度控制第1頁(yè)/共23頁(yè)一、半導(dǎo)體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理1、組成 增益介質(zhì)：半導(dǎo)體材料，主要有GaAs、InP、CdS、ZnS等 泵浦源：電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種主要激勵(lì)方式 諧振腔：半導(dǎo)體晶體中垂直于PN結(jié)平面的兩個(gè)解理面（也可以是經(jīng)過(guò)拋光的平面）作為反射鏡構(gòu)成諧振腔第2頁(yè)/共23頁(yè)2、激光產(chǎn)生條件實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件（1）、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：通過(guò)一定的激勵(lì)方式，使半導(dǎo)體物質(zhì)的導(dǎo)帶底層電子數(shù)遠(yuǎn)大于價(jià)帶頂層電子數(shù)。在電注入方式下：選用重?fù)诫s的P型與N型材料，給

2、PN結(jié)加一個(gè)足夠大的正向偏壓。第3頁(yè)/共23頁(yè)（2）、閾值條件：)(G（增益大于損耗）A、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，增益系數(shù)越大摻雜程度足夠大，激勵(lì)電流足夠大B、損耗來(lái)源于多方面，一般是腔長(zhǎng)越長(zhǎng)損耗越大。對(duì)于給定的半導(dǎo)體激光管，要滿足閾值條件就是要有足夠大的激勵(lì)電流閾值電流第4頁(yè)/共23頁(yè)（3）、諧振條件：2qL IAB激光PNL圖1 激光二極管內(nèi) 激光的產(chǎn)生第5頁(yè)/共23頁(yè)二、激光二極管的特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、壽命長(zhǎng)、效率高等2、缺點(diǎn)：激光性能受溫度影響大、光束發(fā)散角大（幾到二十度范圍）、激光的方向性、單色性和相干性比較差外腔結(jié)構(gòu)壓窄線寬調(diào)實(shí)現(xiàn)激光頻率的連續(xù)可第6頁(yè)/共2

3、3頁(yè)三、外腔結(jié)構(gòu)1、由激光二極管、準(zhǔn)直透鏡和閃耀光柵組成000入射光一級(jí)光原路返回零級(jí)光出射d圖2 外腔結(jié)構(gòu)示意圖第7頁(yè)/共23頁(yè)0002sin2qLd2、需滿足方程： 一級(jí)閃耀 諧振條件（1）從激光二極管中出射的光波長(zhǎng)范圍很大，但是波長(zhǎng)滿足式的光會(huì)發(fā)生一級(jí)閃耀，原路返回。（2）腔長(zhǎng)滿足式，則返回的光與激光管內(nèi)發(fā)出的光諧振。第8頁(yè)/共23頁(yè)（3）對(duì)于零級(jí)光，光程差：0sinsin00ddL00k即： 也就是說(shuō)，在零級(jí)這個(gè)方向上任意波長(zhǎng)的光都可以出射各波長(zhǎng)的零級(jí)譜線是重合的。然而由于只有發(fā)生一級(jí)閃耀的光被諧振放大，所以從零級(jí)方向出射的光，該波長(zhǎng)的占主導(dǎo)，為激光。閃耀光柵相當(dāng)于一個(gè)半透半反鏡，一級(jí)

4、“反”，零級(jí)“透”。第9頁(yè)/共23頁(yè)四、機(jī)械結(jié)構(gòu)第10頁(yè)/共23頁(yè)第11頁(yè)/共23頁(yè)第12頁(yè)/共23頁(yè)五、電流控制恒流源 由于半導(dǎo)體激光器具有二極管的特性，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電源來(lái)說(shuō)是一個(gè)非線性負(fù)載。 而發(fā)光功率隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大而增大。 為了保證電源供電的安全、可靠、穩(wěn)定以及低電壓大電流，需要一個(gè)恒定電流源。第13頁(yè)/共23頁(yè)恒定電流源的電路原理圖第14頁(yè)/共23頁(yè)六、溫度控制 1、溫度對(duì)半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定度的影響 （1）閾值電流隨溫度升高而明顯增大； （2）溫度上升造成激光峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移； （3）激光管壽命隨溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律下降； （4）溫度變化引起外腔光程長(zhǎng)度的改變，導(dǎo)致激光器工作模式的不穩(wěn)定。第15頁(yè)/共23頁(yè)2、PID溫度控制電路（1）原理：探測(cè)器電信號(hào)與預(yù)先設(shè)置的電 信號(hào)做比較差值信號(hào)信號(hào)處理驅(qū)動(dòng)制冷器溫度信號(hào)第16頁(yè)/共23頁(yè)（2）關(guān)鍵元器件A、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：電阻值隨溫度的增大而減小。第17頁(yè)/共23頁(yè)B、半導(dǎo)體制冷器第18頁(yè)/共23頁(yè)第19頁(yè)/共23頁(yè)（3）PID溫控電路圖第20頁(yè)/共23頁(yè)P(yáng)ID電路的功能： P+I使系統(tǒng)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差； P