半導(dǎo)體激光器的原理及其應(yīng)用

§12.4半導(dǎo)體激光器姓名：xxx學(xué)號(hào)：xxxxx本章主要內(nèi)容1.激光器2.半導(dǎo)體3.半導(dǎo)體激光器§1.激光器什么是激光器？使入射光得到放大，是核心供給工作物質(zhì)能量光抽運(yùn)激光束工作介質(zhì)泵浦源只讓與反射鏡軸向平行的光束能在激活介質(zhì)中來(lái)回地反射，連鎖式地放大。最后形成穩(wěn)定的激光輸出。

※1.1激光器工作原理高能態(tài)電子束＞低能態(tài)電子束同頻同相光→諧振腔內(nèi)多次往返放大高能態(tài)→低能態(tài)→同頻率同相位的光發(fā)射激光※1.2激光的振蕩閥值

激光工作物質(zhì)位于諧振腔內(nèi)，當(dāng)工作物質(zhì)的某對(duì)能級(jí)之間發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布時(shí)，頻率處在這對(duì)能級(jí)自發(fā)輻射譜線寬度內(nèi)的微弱光信號(hào)，將獲得增益而放大；由于諧振腔內(nèi)存在各種損耗，光信號(hào)在其中傳輸時(shí)，又會(huì)不斷衰減。

能否產(chǎn)生振蕩,取決于增益與損耗的大小。對(duì)光學(xué)諧振腔,要獲得光自激振蕩,須令光在腔內(nèi)來(lái)回一次所獲增益,至少可補(bǔ)償傳播中的損耗。

激光振蕩閾值是腔內(nèi)輻射由自發(fā)輻射(熒光)向受激輻射(激光)轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)?！?.3激光器的增益和損耗(一)激光器的增益增益系數(shù)的定義：光強(qiáng)隨距離的變化：G代表光波在介質(zhì)中經(jīng)過(guò)單位長(zhǎng)度路程光強(qiáng)的相對(duì)增長(zhǎng)率，也代表介質(zhì)對(duì)光波放大能力的大小。增益：在注入電流的作用下，激活區(qū)受激輻射不斷增強(qiáng)。(一)激光器的增益推導(dǎo)可得：其中——反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度——受激輻射截面積可見(jiàn)，激光介質(zhì)增益系數(shù)正比于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，其比例系數(shù)為受激輻射截面積。正常分布狀態(tài):

熱平衡態(tài)下,粒子數(shù)按能級(jí)的分布為玻爾茲曼分布(二)激光器的損耗1、內(nèi)部損耗

增益介質(zhì)內(nèi)部由于成分不均勻、粒子數(shù)密度不均勻或有缺陷而使光產(chǎn)生折射、散射等使部分光波偏離原來(lái)的傳播方向，造成光能量的損耗。——內(nèi)部損耗系數(shù)（單位長(zhǎng)度的損耗）2、鏡面損耗當(dāng)強(qiáng)度為I的光波射到鏡面上，其中r1I(或r2I)反射回腔內(nèi)繼續(xù)放大，其它的部分均為損耗，包括t1I(或t2I)、鏡面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束擴(kuò)散到反射鏡范圍以外造成的損耗，用a1I(或a2I)表示。

r1、r2——反射鏡M1M2的反射率，

t1t2——M1M2的透射率※1.4激光器的閥值條件閾值是所有激光器的屬性，它標(biāo)志著激光器的增益與損耗的平衡點(diǎn)，即閾值以后激光器才開(kāi)始凈增益?！铽@得激光所要求的雙程放大倍數(shù)為：即則形成激光所要求的增益系數(shù)的條件為：令§2.半導(dǎo)體半導(dǎo)體，指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。通過(guò)擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體(P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體)。將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。其電場(chǎng)的方向由N指向P，稱為內(nèi)電場(chǎng)。P-N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向※2.1半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理當(dāng)如果在PN結(jié)上加正向電壓，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡被破壞。外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷，同時(shí)N區(qū)的自由電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷，于是空間電荷區(qū)變窄，形成較大的擴(kuò)散電流。如右圖所示當(dāng)外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反時(shí)，電子被迫從N區(qū)向P區(qū)方向集結(jié)，當(dāng)足夠數(shù)量的電子能級(jí)上升到導(dǎo)帶能級(jí)，它們的電子能級(jí)就超過(guò)了勢(shì)壘能級(jí)，電子流過(guò)P-N結(jié)進(jìn)入P區(qū)。此時(shí)價(jià)帶中有許多空穴存在而導(dǎo)帶中有許多電子存在，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。來(lái)自導(dǎo)帶的電子失去它的一些能量并下降到價(jià)帶時(shí)，它們和空穴復(fù)合并產(chǎn)生出光子。這種過(guò)程稱為復(fù)合。在理想情況下，能量完全以光子的形式釋放出來(lái)。如果這一過(guò)程自發(fā)地發(fā)生，則該發(fā)出的光子能量近似地等于帶隙的能量Eg，所產(chǎn)生的光子在隨機(jī)的方向上進(jìn)行。另一方面，若在復(fù)合區(qū)有足夠密度的光子存在，則自發(fā)發(fā)射(或復(fù)合)及受激復(fù)合兩者都會(huì)發(fā)生，所產(chǎn)生的受激光子的行進(jìn)方向和原始光子相同?！?.1半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理直接復(fù)合中一個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子和一個(gè)空穴，它們碰撞后又放出一個(gè)光子；間接復(fù)合中載流子被trapT捕捉到，在trapsite中發(fā)生復(fù)合，并放出熱?！?.半導(dǎo)體激光器P型N型電流金屬接觸有源層解理面半導(dǎo)體激光器

是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，是一種在電流注入下能夠發(fā)出相干輻射光（相位相同、波長(zhǎng)基本相同、強(qiáng)度較大）的光電子器件。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖工作三要素：受激光輻射、諧振腔、增益大于等于損耗。自發(fā)光輻射（發(fā)光二極管）

當(dāng)給器件加正向偏壓時(shí)，n區(qū)向p區(qū)注入電子，p區(qū)向n區(qū)注入空穴，在激活區(qū)電子和空穴自發(fā)地復(fù)合形成電子-空穴對(duì)，將多余的能量以光子的形式釋放出來(lái)，所發(fā)射的光子相位和方向各不相同，這種輻射叫做自發(fā)輻射。受激光輻射（半導(dǎo)體激光器）

在材料設(shè)計(jì)時(shí)，考慮將p區(qū)和n區(qū)重?fù)诫s等工藝，使得輻射光嚴(yán)格在pn結(jié)平面內(nèi)傳播，單色性較好，強(qiáng)度也較大，這種光輻射叫做受激光輻射?！?.1半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管的區(qū)別以GaAs半導(dǎo)體激光器為例來(lái)說(shuō)明其基本結(jié)構(gòu)及其發(fā)光圖示※3.2半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)圖GaAs激光器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖※3.3半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)由于半導(dǎo)體材料的折射率一般較大，因此反射系數(shù)較大，所以兩個(gè)與p-n結(jié)平面垂直的解理面即構(gòu)成相互嚴(yán)格平行的諧振腔。圖

激光束的空間分布示意圖垂直于結(jié)面的兩個(gè)平行的晶體解理面形成法布里-珀羅諧振腔，兩個(gè)解理面是諧振腔的反射鏡面。在兩個(gè)端面上分別鍍上高反膜和增透膜,可以提高激射效率。半導(dǎo)體激光器和普通的發(fā)光二極管基本上相同的，兩者的主要差別就是前者有解理面形成的諧振腔?！?.4半導(dǎo)體激光器工作的閥值條件激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)還需要滿足閾值條件

增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系也取決于諧振腔內(nèi)的工作物質(zhì)在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，注入激光器的電子總數(shù)與同樣時(shí)間內(nèi)發(fā)生的電子與空穴復(fù)合數(shù)相等而達(dá)到平衡。◆要實(shí)現(xiàn)電子數(shù)的反轉(zhuǎn)，輸入電流要很高。當(dāng)電流較小時(shí)，此時(shí)只發(fā)出普通光，當(dāng)電流增大到某一值時(shí)，開(kāi)始發(fā)射出激光，此電流即是閥值電流?！?.5半導(dǎo)體激光器閥值電流的測(cè)定

半導(dǎo)體激光器的光譜隨激勵(lì)電流而變化，當(dāng)激勵(lì)電流低于域值電流時(shí)，發(fā)出的光是熒光。

當(dāng)電流增大到閾值時(shí)，發(fā)出的光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加。這表明出現(xiàn)了激光。其光譜為分布如右圖所示。由此可見(jiàn)知光譜變窄，單色性增強(qiáng)是半導(dǎo)體激光器達(dá)到閾值時(shí)的一個(gè)特征，因而可通過(guò)激光器光譜的測(cè)量來(lái)確定閾值電流?！?.6半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用半導(dǎo)體激光的應(yīng)用十分廣泛，如激光切割，激光焊接，激光打標(biāo)，激