【大學(xué)課件】半導(dǎo)體激光器的工作特性

半導(dǎo)體激光器的工作特性歡迎來(lái)到半導(dǎo)體激光器工作特性的深入探討。本課程將詳細(xì)介紹這種重要光電器件的原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。讓我們開(kāi)始這段激光之旅吧！半導(dǎo)體激光器的基本原理受激輻射激光器工作的核心原理，電子在能級(jí)間躍遷時(shí)釋放光子。光放大通過(guò)反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)光子數(shù)量的指數(shù)增長(zhǎng)。諧振腔提供必要的光學(xué)反饋，形成穩(wěn)定的激光輸出。半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶電子在此帶中自由移動(dòng)，能量較高。禁帶電子不允許存在的能量區(qū)域，決定材料的光學(xué)特性。價(jià)帶電子通常占據(jù)的能量帶，能量較低。載流子的注入機(jī)理正向偏置在PN結(jié)兩端施加正向電壓。載流子擴(kuò)散電子和空穴向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散。復(fù)合發(fā)光在有源區(qū)內(nèi)，電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生光子。光子的產(chǎn)生和放大1自發(fā)輻射載流子自發(fā)復(fù)合產(chǎn)生初始光子。2受激輻射已有光子誘導(dǎo)更多載流子復(fù)合，產(chǎn)生相干光子。3光放大相干光子在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射，數(shù)量迅速增加。半導(dǎo)體激光器的器件結(jié)構(gòu)有源區(qū)實(shí)現(xiàn)載流子復(fù)合和光放大的核心區(qū)域。波導(dǎo)層限制光在有源區(qū)傳播，提高光的束縛效果。反射鏡形成光學(xué)諧振腔，通常由解理面構(gòu)成。電極提供電流注入，實(shí)現(xiàn)載流子的持續(xù)供應(yīng)。平面型半導(dǎo)體激光器簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)易于制造，成本較低。散熱性能差限制了器件的連續(xù)工作能力。電流分布不均影響激光器的效率和輸出特性。雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1載流子限制提高注入效率。2光限制改善光的束縛效果。3降低閾值提高工作效率。4高溫性能改善高溫工作特性。多量子阱半導(dǎo)體激光器1量子限制效應(yīng)調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)。2載流子分布優(yōu)化提高注入效率。3增益特性改善降低閾值電流。4調(diào)制特性增強(qiáng)提高調(diào)制帶寬。波導(dǎo)型半導(dǎo)體激光器脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)通過(guò)刻蝕形成橫向光波導(dǎo)，改善橫向模式控制。埋置式結(jié)構(gòu)有源區(qū)被高阻材料包圍，改善電流注入效率。分布反饋結(jié)構(gòu)在波導(dǎo)層引入光柵，實(shí)現(xiàn)單模輸出。半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)小型化體積小，易于集成。高效率電光轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)50%以上。直接調(diào)制可通過(guò)注入電流直接調(diào)制輸出。多樣化可覆蓋從近紅外到可見(jiàn)光的廣泛波長(zhǎng)范圍。輸出功率特性閾值以下自發(fā)輻射為主，輸出功率較低。閾值附近受激輻射開(kāi)始占主導(dǎo)，輸出功率急劇上升。線性區(qū)輸出功率與注入電流成線性關(guān)系。飽和區(qū)高電流下，熱效應(yīng)導(dǎo)致效率下降。閾值電流特性定義激光器開(kāi)始產(chǎn)生相干輻射所需的最小電流。溫度依賴性溫度升高，閾值電流增大，符合指數(shù)關(guān)系。材料影響不同材料體系的閾值電流溫度敏感度不同。結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)可以降低閾值電流。效率特性微分效率閾值以上，輸出功率隨電流增加的速率。量子效率注入電子轉(zhuǎn)化為光子的比例。光電轉(zhuǎn)換效率輸入電功率轉(zhuǎn)化為輸出光功率的比例。頻率特性1增益帶寬材料的光譜增益范圍，決定可能的發(fā)射波長(zhǎng)。2縱模間隔由諧振腔長(zhǎng)度決定，影響多模激光器的光譜分布。3單模操作通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)窄線寬單頻輸出。調(diào)制特性直接調(diào)制通過(guò)改變注入電流實(shí)現(xiàn)輸出光強(qiáng)的快速變化。調(diào)制帶寬決定激光器響應(yīng)速度的關(guān)鍵參數(shù)，通常在GHz量級(jí)。弛豫振蕩限制調(diào)制速度的主要因素，由載流子和光子動(dòng)態(tài)決定。諧振腔的設(shè)計(jì)1腔長(zhǎng)選擇影響閾值增益和縱模間隔。2反射率設(shè)計(jì)前后鏡面反射率的優(yōu)化影響輸出效率。3波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響橫向模式控制和光束質(zhì)量。4散熱考慮良好的熱管理對(duì)維持穩(wěn)定工作至關(guān)重要。反射鏡的作用光反饋提供必要的光學(xué)反饋，形成諧振腔。輸出耦合部分透射的前鏡允許激光輸出。模式選擇反射鏡的設(shè)計(jì)可影響縱模和橫模特性。保護(hù)作用防止器件內(nèi)部受到環(huán)境污染?？v模特性1模式間隔由腔長(zhǎng)決定，通常在納米量級(jí)。2模式競(jìng)爭(zhēng)多個(gè)縱模在增益范圍內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，影響光譜純度。3單模操作通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)如DFB實(shí)現(xiàn)單一縱模輸出。橫模特性基本模最低階橫模，通常具有高斯分布。高階模在較寬的波導(dǎo)中可能出現(xiàn)，影響光束質(zhì)量。模式控制通過(guò)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抑制高階模，提高光束質(zhì)量。光束質(zhì)量因子M^21定義描述實(shí)際光束與理想高斯光束的偏離程度。2測(cè)量方法通過(guò)光束發(fā)散角和束腰尺寸計(jì)算。3應(yīng)用影響影響激光器在光通信和材料加工中的性能。4改善策略優(yōu)化波導(dǎo)設(shè)計(jì)和抑制高階模。半導(dǎo)體激光器的溫度特性閾值電流增加溫度升高導(dǎo)致非輻射復(fù)合增強(qiáng)。輸出功率下降高溫下量子效率降低。波長(zhǎng)漂移溫度變化引起能帶間隙變化。壽命縮短高溫加速器件老化過(guò)程。熱噪聲的影響線寬增寬熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致發(fā)射光譜線寬增加。相位噪聲熱漲落引起激光相位隨機(jī)波動(dòng)。強(qiáng)度噪聲熱效應(yīng)導(dǎo)致輸出功率波動(dòng)。模式不穩(wěn)定性溫度變化可能引起模式跳變?？煽啃耘c壽命失效機(jī)制包括暗線缺陷擴(kuò)展、電極劣化等。老化測(cè)試在高溫高電流條件下進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)。壽命預(yù)測(cè)基于阿倫尼烏斯模型進(jìn)行壽命外推。改善措施優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、改進(jìn)制作工藝、增強(qiáng)散熱。半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用領(lǐng)域通信光纖通信的核心光源。存儲(chǔ)光盤讀寫(xiě)的關(guān)鍵組件。打印激光打印機(jī)的核心部件。醫(yī)療用于手術(shù)和診斷設(shè)備。光纖通信1信號(hào)發(fā)射半導(dǎo)體激光器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。2光纖傳輸光信號(hào)在低損耗光纖中傳播。3信號(hào)接收光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。光盤讀寫(xiě)讀取過(guò)程低功率激光讀取光盤表面的微小坑槽。寫(xiě)入過(guò)程高功率激光在記錄層產(chǎn)生物理或化學(xué)變化。激光要求需要精確的功率控制和聚焦能力。光存儲(chǔ)1高密度利用激光的高聚焦能力實(shí)現(xiàn)納米級(jí)存儲(chǔ)。2快速存取激光快速調(diào)制和掃描實(shí)現(xiàn)高速讀寫(xiě)。3長(zhǎng)期保存光學(xué)介質(zhì)具有優(yōu)異的長(zhǎng)期保存特性。4多維存儲(chǔ)全息存儲(chǔ)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)體積數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。激光打印成像激光束在感光鼓上繪制靜電圖像。顯影帶電碳粉吸附在靜電圖像上。轉(zhuǎn)印碳粉圖像轉(zhuǎn)移到紙張上。定影熱壓使碳粉永久固定在紙上。醫(yī)療診斷眼科手術(shù)用于近視矯正和白內(nèi)障治療。皮膚治療去除紋身和治療皮膚病。光動(dòng)力療法結(jié)合光敏劑治療癌癥。內(nèi)窺鏡檢查提供體內(nèi)組織的高清影像。激光加工與雷達(dá)激光切割高功率激光用于精密切割金屬和非金屬材料。激光焊接實(shí)現(xiàn)高精度、無(wú)接觸的材料連接。激光雷達(dá)用于自動(dòng)