半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器第一頁，共十七頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)第二頁，共十七頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體激光器工作原理

半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，并利用光學(xué)諧振腔的正反饋實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光。

第三頁，共十七頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體激光器工作原理光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光振蕩和光學(xué)諧振腔

第四頁，共十七頁，2022年，8月28日光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式

自發(fā)輻射——無外界激勵(lì)而高能級(jí)電子自發(fā)躍遷到低能級(jí)，同時(shí)釋放出光子。受激輻射——高能級(jí)電子受到外來光作用，被迫躍遷到低能級(jí)，同時(shí)釋放出光子，且產(chǎn)生的新光子與外來激勵(lì)光子同頻同方向，為相干光。受激吸收——低能級(jí)電子在外來光作用下吸收光能量而躍遷到高能級(jí)。

第五頁，共十七頁，2022年，8月28日

E2

E1

E2

E1

hf12

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hf12

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初態(tài)

終態(tài)(b)自發(fā)輻射(c)受激輻射(a)受激吸收能級(jí)與電子躍遷示意圖第六頁，共十七頁，2022年，8月28日粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

設(shè)在單位物質(zhì)中低能級(jí)電子數(shù)和高能級(jí)電子數(shù)分別為N1和N2物質(zhì)在正常狀態(tài)下N1＞N2，受激吸收與受激輻射的速率分別比例于N1和N2且比例系數(shù)相等，此時(shí)光通過該物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)會(huì)衰減，物質(zhì)為吸收物質(zhì)。若N2＞N1，受激吸收小于受激輻射，光通過該物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)會(huì)放大，該物質(zhì)成為激活物質(zhì)。N2＞N1的分布與正常狀態(tài)相反，故稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。第七頁，共十七頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體的能帶和電子分布

能量?jī)r(jià)帶價(jià)帶EgEfEf/2Ef/2EgEfEeEvEvEeEgEfEeEv(a)本征半導(dǎo)體(b)N型半導(dǎo)體(c)P型半導(dǎo)體空穴電子第八頁，共十七頁，2022年，8月28日能帶——電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成的連續(xù)分布的能級(jí)。價(jià)帶——能量低的能帶。導(dǎo)帶——能量高的能帶。禁帶Eg——導(dǎo)帶底的能量Ee和價(jià)帶頂能量Ev間的能量差在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布

費(fèi)米能級(jí)——用于描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)，在費(fèi)米能級(jí)，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。在本征半導(dǎo)體中，位于禁帶中央；N型半導(dǎo)體中增大；在P型半導(dǎo)體中減小。第九頁，共十七頁，2022年，8月28日

PN結(jié)的能帶和電子分布

PN結(jié)空間電場(chǎng)區(qū)P區(qū)N區(qū)++++++Ef能量EePEVPEeNEVNP區(qū)N區(qū)EVPEePEeNEVNEfNEfPhfhf第十頁，共十七頁，2022年，8月28日PN結(jié)界面上由于多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成內(nèi)部空間電場(chǎng)區(qū)，該電場(chǎng)導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，無外加電壓時(shí)，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)，能帶發(fā)生傾斜。當(dāng)外加正向電壓時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)被削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，能帶傾斜減小，在PN結(jié)形成一個(gè)增益區(qū)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布區(qū)）可產(chǎn)生自發(fā)輻射。第十一頁，共十七頁，2022年，8月28日光學(xué)諧振腔

光學(xué)諧振腔——由兩個(gè)反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成。腔內(nèi)物質(zhì)具備粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可用其產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作入射光，經(jīng)反射鏡反射沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向傳播的光被減弱，反射光經(jīng)反射鏡多次反射不斷被放大，方向性不斷改善，使增益大幅度提高。第十二頁，共十七頁，2022年，8月28日激光振蕩激活物質(zhì)在被置于光學(xué)諧振腔后，能對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，可獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出激光起振閾值條件：腔內(nèi)增益與損耗相當(dāng)時(shí)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩，閾值條件為：是

閾值增益系數(shù)；

是諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)；為諧振腔長(zhǎng)度激光振蕩的相位條件為：或第十三頁，共十七頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)（LH）雙異質(zhì)結(jié)（DH）

第十四頁，共十七頁，2022年，8月28日

雙異質(zhì)結(jié)（DH)LD的結(jié)構(gòu)限制層GayAl1-yAs有源層GaAs限制層GaXAl1-XAsGaAs襯底光輻射金屬接觸第十五頁，共十七頁，2022年，8月28日

雙異質(zhì)結(jié)（DH)LD的工作原理示意圖PGayAl1-yAsPGaAsNGaXAl1-XAsE能量N折射率P光功率電子復(fù)合異質(zhì)勢(shì)壘空穴＜5%－+(b)(a)(d)(c)第十六頁，共十七頁，2022年，8月28日

雙異質(zhì)結(jié)（DH)LD的工作原理

雙異質(zhì)結(jié)（DH)LD由三層不同類型的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)不同的