快速了解激光器原理

快速了解激光器原理第一頁，共二十二頁，2022年，8月28日一、光子與載流子的相互作用《半導(dǎo)體物理》：與激光發(fā)射相關(guān)的三個基本躍遷過程第二頁，共二十二頁，2022年，8月28日一、光子與載流子的相互作用1.吸收?ω作用前E2E1如果光子能量?ω=E2-E1作用后E2E1第三頁，共二十二頁，2022年，8月28日一、光子與載流子的相互作用2.自發(fā)輻射LED的主要躍遷過程?ω作用前E2E1作用后E2E1其中，發(fā)射出光子能量?ω=E2-E1第四頁，共二十二頁，2022年，8月28日一、光子與載流子的相互作用3.受激輻射半導(dǎo)體激光器的主要躍遷過程?ωE2E1E2E1作用前作用后?ω?ω處于激發(fā)態(tài)E2的原子受能量為?ω的光子作用，躍遷回基態(tài)E1，并發(fā)射出一個能量為?ω的光子。這個光子與入射光子頻率、相位、方向和偏振態(tài)等完全相同。這是與自發(fā)輻射最大的不同。第五頁，共二十二頁，2022年，8月28日二、半導(dǎo)體激光器原理半導(dǎo)體激光器要想實現(xiàn)激射需要滿足的條件：條件1.粒子束反轉(zhuǎn)分布發(fā)生激射光量子放大處于高能級的原子數(shù)﹥處于低能級原子數(shù)通常：處于高能級的原子數(shù)﹤處于低能級原子數(shù)第六頁，共二十二頁，2022年，8月28日二、半導(dǎo)體激光器原理首先出現(xiàn)的是同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器為實現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)，要使將p區(qū)和n區(qū)重摻雜由于同質(zhì)結(jié)激光器在實際應(yīng)用中的諸多限制基本被淘汰。EcEvEgPn陰影為電子填充狀態(tài)第七頁，共二十二頁，2022年，8月28日二、半導(dǎo)體激光器原理條件2.諧振腔一定頻率的受激輻射，在諧振腔內(nèi)來回反射，形成兩列方向相反的波疊加，形成駐波。只有滿足

（m=整數(shù)）的駐波存在，并形成振蕩，不滿足的將損耗。條件一光量子放大產(chǎn)生單色性好強度大的非相干光產(chǎn)生單色性好強度大的相干光諧振腔第八頁，共二十二頁，2022年，8月28日二、半導(dǎo)體激光器原理條件3：注入電流密度至少達到閾值電流密度在注入電流作用下，激活區(qū)內(nèi)受激輻射增強稱為增益，記g為增益系數(shù)，則有增益情況隨長度變化規(guī)律：激活區(qū)也存在損耗包括載流子吸收、缺陷散射和端面透射損耗等。記α為損耗系數(shù)，同樣有損耗情況隨長度變化規(guī)律：第九頁，共二十二頁，2022年，8月28日二、半導(dǎo)體激光器原理只有當注入電流大到使增益和損耗相等時，才開始激射。此時的注入電流稱閾值電流，增益稱閾值增益。另外，設(shè)腔長為l,反射面反射系數(shù)為R，則有：激光器有效工作降低閾值減少損耗α和增大發(fā)射系數(shù)R第十頁，共二十二頁，2022年，8月28日三、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器原理單異質(zhì)結(jié)激光器優(yōu)于同質(zhì)結(jié)激光器的特點：1.AlGaAs的禁帶寬度大于GaAs。故從n-GaAs注入的電子因異質(zhì)結(jié)處較大的勢壘而停留在p-GaAs，電子濃度增加提高了增益。2.AlGaAs的折射率小于GaAs，使光受反射而限制在p區(qū)，減少非激活區(qū)對光子吸收，減少損耗。p?-AlxGa1-xAsP-GaAsn-GaAs第十一頁，共二十二頁，2022年，8月28日三、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器原理雙異質(zhì)結(jié)激光器雙異質(zhì)結(jié)存在兩個AlGaAs-GaAs壁，除了具有單異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點外，還避免了單異質(zhì)結(jié)的空穴注入現(xiàn)象，因此比單異質(zhì)結(jié)具有更低的閾值電流密度、更高的效率和更長的壽命。p-AlxGa1-xAsP-GaAsn-AlxGa1-xAsn-GaAs第十二頁，共二十二頁，2022年，8月28日四、半導(dǎo)體量子阱激光器

單量子阱激光器和多量子阱激光器單量子阱激光器（SQW）多量子阱激光器(MQW)n由上式可知，SQW的光限制因子小。因為，量子阱厚度很?。◣装?以下），故載流子收集能力弱。第十三頁，共二十二頁，2022年，8月28日四、半導(dǎo)體量子阱激光器優(yōu)點：1.低閾值電流特性雖然量子阱激光器的光限制因子小了，但是量子阱材料的增益系數(shù)比體材料大近三個數(shù)量級，因此，量子阱激光器的閾值電流密度低。2.高的特征溫度在二維電子氣系統(tǒng)中，臺階狀態(tài)密度分布使得準費米能級位置受溫度影響的靈敏度比體材料器件低的多第十四頁，共二十二頁，2022年，8月28日五、VCSEL

邊發(fā)射激光器(a)與面發(fā)射激光器(b)前面所講的半導(dǎo)體激光器大多是邊發(fā)射的，如圖（a）下面介紹的VCSEL也就是所謂的垂直腔面發(fā)射激光器如圖（b）第十五頁，共二十二頁，2022年，8月28日五、VCSEL常見的VCSEL結(jié)構(gòu)諧振腔由三部分組成TopDBRActivelayerBottomDBR第十六頁，共二十二頁，2022年，8月28日五、VCSELDBR是由折射率不同的兩種薄膜構(gòu)成的多層膜系，每層膜的光學厚度是四分之一波長，一組DBR一般由20-40對薄膜組成。諧振腔的厚度一般在幾個微米左右。VCSEL有源層的增益長度極小(幾十納米)。為了實現(xiàn)激射，DBR必須具有很高的反射率(一般大于99%)。第十七頁，共二十二頁，2022年，8月28日五、VCSEL第十八頁，共二十二頁，2022年，8月28日

First102nmUltra-WidelyTunable

MEMSVCSELBasedonInP

Author：TobiasGruendlUniversity：

TechnischeUniversit?tMünchen(慕尼黑理工大學)第