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1、第八讲 半导体激光器（一）,主要内容,半导体激光器的工作原理 半导体激光器的基本结构,半导体激光器工作原理,半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用光学谐振腔的正反馈实现光放大而产生激光。,半导体激光器工作原理,光与物质相互作用的三种基本方式 粒子数反转分布 激光振荡和光学谐振腔,光与物质相互作用的三种基本方式,自发辐射无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级，同时释放出光子。 受激辐射高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。 受激吸收低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到高能级。,E
2、2,E1,E2,E1,hf12,hf12,hf12,hf12,初态,终态,(b)自发辐射,(c)受激辐射,(a)受激吸收,能级与电子跃迁示意图,粒子数反转分布,设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为N1和N2物质在正常状态下N1N2，受激吸收与受激辐射的速率分别比例于N1和N2且比例系数相等，此时光通过该物质时，光强会衰减，物质为吸收物质。若N2N1，受激吸收小于受激辐射，光通过该物质时，光强会放大，该物质成为激活物质。N2N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分布。,半导体的能带和电子分布,能量,价带,价带,Eg,Ef,Ef/2,Ef/2,Eg,Ef,Ee,Ev,Ev,Ee,Eg
3、,Ef,Ee,Ev,(a)本征半导体,(b)N型半导体,(c)P型半导体,空穴,电子,能带电子所处的能态扩展成的连续分布的能级。 价带能量低的能带。 导带能量高的能带。 禁带Eg导带底的能量Ee 和价带顶能量Ev间的能量差 在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 费米能级 用于描述半导体中各能级被电子占据的状态，在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。在本征半导体中， 位于禁带中央；N型半导体中 增大；在P型半导体中 减小。,PN结的能带和电子分布,PN 结空间电场区,P区,N区,+ + + + + +,Ef,能量,EeP,EVP,EeN,EVN,P区,N区,EVP,Ee
4、P,EeN,EVN,EfN,EfP,hf,hf,PN结界面上由于多数载流子扩散运动形成内部空间电场区，该电场导致载流子的漂移运动，无外加电压时，两种运动处于平衡状态，能带发生倾斜。当外加正向电压时，内部电场被削弱，扩散运动加强，能带倾斜减小，在PN结形成一个增益区（粒子数反转分布区）可产生自发辐射。,光学谐振腔,光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成。腔内物质具备粒子数反转分布，可用其产生的自发辐射光作入射光，经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传播的光被减弱，反射光经反射镜多次反射不断被放大，方向性不断改善，使增益大幅度提高。,激光振荡,激活物质在被置于光学谐振
5、腔后，能对光的频率和方向进行选择，可获得连续的光放大和激光振荡输出激光起振阈值条件：腔内增益与损耗相当时开始建立稳定的激光振荡，阈值条件为： 是 阈值增益系数； 是谐振腔内激活物质的损耗系数； 为谐振腔长度 激光振荡的相位条件为： 或,半导体激光器的基本结构,同质结 单异质结（LH） 双异质结（DH）,双异质结（DH)LD的结构,限制层GayAl1-yAs,有源层GaAs,限制层GaXAl1-XAs,GaAs衬底,光辐射,金属接触,双异质结（DH)LD的工作原理示意图,P GayAl1-yAs,P GaAs,N GaXAl1-XAs,E能量,N折射率,P光功率,电子,复合,异质势垒,空穴,5%,+,(b),(a),(d),(c),双异质结（DH)LD的工作原理,双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层，两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体是限制层，三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。,
