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1、12.4 半导体激光器 姓名：xxx 学号：xxxxx 本章主要内容 1.激光器 2.半导体 3.半导体激光器 1. 激光器 什么是激光器？ 使入射光 得到放大 ，是核心 供给工作 物质能量 光抽运 激光束 工作介质 泵浦源 只让与反射镜轴向平行的光束能在激活介质中来回地 反射，连锁式地放大。最后形成稳定的激光输出。 1.1 1.1 激光器工作原理激光器工作原理 高能态电子束低能态电子束 同频同相光谐 振腔内多次往返 放大 高能态低能态 同频率同相位 的光发射 激光 1.2 1.2 激光的振荡阀值激光的振荡阀值 激光工作物质位于谐振腔内，当工作物质的某对能级之间发生粒子数反 转分布时，频率处在
2、这对能级自发辐射谱线宽度内的微弱光信号，将获得增益 而放大；由于谐振腔内存在各种损耗，光信号在其中传输时，又会不断衰减。 能否产生振荡,取决于增益与损耗的大小。对光学谐振腔, 要获得光自激 振荡, 须令光在腔内来回一次所获增益,至少可补偿传播中的损耗。 激光振荡阈值是腔内辐射由自发辐射(荧光)向受激辐射(激光)转变的转折 点。 1.3 1.3 激光器的增益和损耗激光器的增益和损耗 (一) 激光器的增益 增益系数的定义： 光强随距离的变化： G 代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对增长率，也代表 介质对光波放大能力的大小。 增益：在注入电流的作用下，激活区受激辐射不断增强。 (一) 激光器
3、的增益 推导可得： 其中 反转粒子数密度 受激辐射截面积 可见，激光介质增益系数正比于反转粒子数密度，其比例系 数为受激辐射截面积。 正常分布状态: 热平衡态下,粒子数 按能级的分布为玻 尔兹曼分布 (二) 激光器的损耗 1、内部损耗 增益介质内部由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷而使 光产生折射、散射等使部分光波偏离原来的传播方向，造成光能 量的损耗。 内部损耗系数（单位长度的损耗） 2、镜面损耗 当强度为I 的光波射到镜面上，其中r1I(或r2I)反射回腔内继续放 大，其它的部分均为损耗，包括t1I(或t2I)、镜面的散射、吸收以 及由于光的衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的损耗，
4、用a1I( 或a2I)表示。 r1、 r2反射镜M1 M2 的反射率， t1 t2M1 M2 的透射率 1.4 1.4 激光器的阀值条件激光器的阀值条件 阈值是所有激光器的属性，它标志着激光器的增益 与损耗的平衡点，即阈值以后激光器才开始净增益 。 获得激光所要求的双程放大倍数为： 即 则形成激光所要求的增益系数的条件为： 令 2. 半导体 半导体，指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料 。通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元 素，可得到杂质半导体(P型半导体和N型半导体)。 将P型半导体与N型半导体制作在同 一块半导体（通常是硅或锗）基片 上，在它们的交界面就形成空间电 荷区
5、称为PN结。其电场的方向由N 指向P，称为内电场。 P-N结内电场方向 2.1半导体器件的发光机理半导体器件的发光机理 当如果在PN结上加正向电压，外电场与内电场的 方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电 场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负 空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区 抵消一部分正空间电荷，于是空间电荷区变窄， 形成较大的扩散电流。如右图所示 当外加电场与内电场方向相反时，电子被迫从N区向P区方向集结 ，当足够数量的电子能级上升到导带能级，它们的电子能级就超 过了势垒能级，电子流过P-N结进入P 区。 此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在，这种状 态称为粒
6、子数反转。 来自导带的电子失去它的一些能量并下降到价带时，它们和空 穴复合并产生出光子。这种过程称为复合。 在理想情况下，能量完全以光子的形式释放出来。如果这一过 程自发地发生，则该发出的光子能量近似地等于带隙的能量Eg ，所产生的光子在随机的方向上进行。另一方面，若在复合区 有足够密度的光子存在，则自发发射(或复合)及受激复合两者 都会发生， 所产生的受激光子的行进方向和原始光子相同。 2.1半导体器件的发光机理半导体器件的发光机理 直接复合中一个光子产生一个电子和一个空穴，它们碰撞后又放 出一个光子；间接复合中载流子被trap T捕捉到，在trap site 中发生复合，并放出热。 3.
7、半导体激光器 P型 N型 电流金属接触 有源层 解理面 n半导体激光器 是用半导体材料作为工作物质 的激光器，是一种在电流注入下 能够发出相干辐射光（相位相同 、波长基本相同、强度较大）的 光电子器件。 半导体激光器的结构简图 n工作三要素： 受激光辐射、谐振腔、增益大于 等于损耗。 n自发光辐射（发光二极管） 当给器件加正向偏压时 ，n区向p区注入电子，p区向n区注入空 穴，在激活区电子和空穴自发地复合形成电子-空穴对，将多余 的能量以光子的形式释放出来，所发射的光子相位和方向各不相 同，这种辐射叫做自发辐 射。 n受激光辐射（半导体激光器） 在材料设计时 ，考虑将p区和n区重掺杂 等工艺，
8、使得辐射光严 格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射 叫做受激光辐射。 3.1 3.1半导体激光器和发光二极管的区别半导体激光器和发光二极管的区别 以GaAs半导体激光器为例来说明其基本结构及其发光图示 3.2半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构 图 GaAs激光器的结构简图 3.3半导体激光器的工作物质半导体激光器的工作物质 由于半导体材料的折射率一般较大，因 此反射系数较大，所以两个与p-n结平 面垂直的解理面即构成相互严格平行的 谐振腔。 图 激光束的空间分布示意图 垂直于结面的两个平行的晶体解理面 形成法布里-珀罗谐振腔 ，两个解理面 是谐振腔的反射镜面。在两
9、个端面上 分别镀上高反膜和增透膜,可以提高激 射效率。 半导体激光器和普通的发光二极管基本 上相同的，两者的主要差别就是前者有 解理面形成的谐振腔。 3.4 3.4半导体激光器工作的阀值条件半导体激光器工作的阀值条件 激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件 增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质 在一定的时间间隔内，注 入激光器的电子总数与同样 时间内发生的电子与空穴复 合数相等而达到平衡 。 要实现电子数的反转，输入电流要很高。当电流较小时，此时只发出 普通光，当电流增大到某一值时，开始发射出激光，此电流即是阀值电流 。 3.5 3.5半导体激光器阀值电流
10、的测定半导体激光器阀值电流的测定 半导体激光器的光谱随激励电流 而变化，当激励电流低于域值电 流时，发出的光是荧光。 当电流增大到阈值时，发出的 光谱突然变窄，谱线中心强度急 剧增加。这表明出现了激光。其 光谱为分布如右图所示。由此可 见知光谱变窄，单色性增强是半 导体激光器达到阈值时的一个特 征，因而可通过激光器光谱的测 量来确定阈值电流。 3.6 3.6半导体激光器的优点及应用半导体激光器的优点及应用 半导体激光的应用十分广泛，如激光切割，激 光焊接，激光打标，激光打孔，激光雕刻，激 光医疗，激光美容，激光显示，激光全息，激 光照排，激光制冷，激光检测以及激光测量等 。 效率高、体积小、重量轻。 并且寿命较长、易于调制及价格 低廉等优点 半导体激光器的优点： 半导体激光器的应用： Thank you for your attention !
