Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔

半導(dǎo)體激光器

—宋紅芳

Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔

半導(dǎo)體激光器

1一、半導(dǎo)體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理二、激光二極管產(chǎn)生激光的特點(diǎn)三、外腔結(jié)構(gòu)四、機(jī)械設(shè)計(jì)五、電流控制—恒流源六、溫度控制一、半導(dǎo)體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理二、激光二極管產(chǎn)生激光2一、半導(dǎo)體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理1、組成增益介質(zhì)：半導(dǎo)體材料，主要有GaAs、InP、CdS、ZnS等泵浦源：電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種主要激勵(lì)方式諧振腔：半導(dǎo)體晶體中垂直于PN結(jié)平面的兩個(gè)解理面（也可以是經(jīng)過拋光的平面）作為反射鏡構(gòu)成諧振腔一、半導(dǎo)體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理1、組成32、激光產(chǎn)生條件實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件（1）、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：通過一定的激勵(lì)方式，使半導(dǎo)體物質(zhì)的導(dǎo)帶底層電子數(shù)遠(yuǎn)大于價(jià)帶頂層電子數(shù)。在電注入方式下：選用重?fù)诫s的P型與N型材料，給PN結(jié)加一個(gè)足夠大的正向偏壓。2、激光產(chǎn)生條件實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件（1）4（2）、閾值條件：（增益大于損耗）A、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，增益系數(shù)越大——摻雜程度足夠大，激勵(lì)電流足夠大B、損耗來源于多方面，一般是腔長(zhǎng)越長(zhǎng)損耗越大。對(duì)于給定的半導(dǎo)體激光管，要滿足閾值條件就是要有足夠大的激勵(lì)電流——閾值電流（2）、閾值條件：（增益大于損耗）A、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，增5（3）、諧振條件：IAB激光PNL圖1激光二極管內(nèi)激光的產(chǎn)生（3）、諧振條件：IAB激光PNL圖1激光二極管內(nèi)6二、激光二極管的特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、壽命長(zhǎng)、效率高等2、缺點(diǎn)：激光性能受溫度影響大、光束發(fā)散角大（幾到二十度范圍）、激光的方向性、單色性和相干性比較差外腔結(jié)構(gòu)二、激光二極管的特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電7三、外腔結(jié)構(gòu)1、由激光二極管、準(zhǔn)直透鏡和閃耀光柵組成入射光一級(jí)光原路返回零級(jí)光出射d圖2外腔結(jié)構(gòu)示意圖三、外腔結(jié)構(gòu)1、由激光二極管、準(zhǔn)直透鏡和閃耀光柵組成入射光一82、需滿足方程：……①一級(jí)閃耀……②諧振條件（1）從激光二極管中出射的光波長(zhǎng)范圍很大，但是波長(zhǎng)滿足①式的光會(huì)發(fā)生一級(jí)閃耀，原路返回。（2）腔長(zhǎng)滿足②式，則返回的光與激光管內(nèi)發(fā)出的光諧振。2、需滿足方程：……①一級(jí)閃耀……②諧振條件9（3）對(duì)于零級(jí)光，光程差：即：也就是說，在零級(jí)這個(gè)方向上任意波長(zhǎng)的光都可以出射——各波長(zhǎng)的零級(jí)譜線是重合的。然而由于只有發(fā)生一級(jí)閃耀的光被諧振放大，所以從零級(jí)方向出射的光，該波長(zhǎng)的占主導(dǎo)，為激光。閃耀光柵相當(dāng)于一個(gè)半透半反鏡，一級(jí)“反”，零級(jí)“透”。（3）對(duì)于零級(jí)光，光程差：即：也就是說，在零級(jí)這個(gè)方向10四、機(jī)械結(jié)構(gòu)四、機(jī)械結(jié)構(gòu)11Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔半導(dǎo)體激光器課件12Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔半導(dǎo)體激光器課件13五、電流控制—恒流源由于半導(dǎo)體激光器具有二極管的特性，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電源來說是一個(gè)非線性負(fù)載。而發(fā)光功率隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大而增大。為了保證電源供電的安全、可靠、穩(wěn)定以及低電壓大電流，需要一個(gè)恒定電流源。五、電流控制—恒流源由于半導(dǎo)體激光器具有二極管的特性14恒定電流源的電路原理圖恒定電流源的電路原理圖15六、溫度控制

1、溫度對(duì)半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定度的影響（1）閾值電流隨溫度升高而明顯增大；（2）溫度上升造成激光峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移；（3）激光管壽命隨溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律下降；（4）溫度變化引起外腔光程長(zhǎng)度的改變，導(dǎo)致激光器工作模式的不穩(wěn)定。六、溫度控制1、溫度對(duì)半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定度的影響162、PID溫度控制電路（1）原理：探測(cè)器電信號(hào)與預(yù)先設(shè)置的電信號(hào)做比較差值信號(hào)信號(hào)處理驅(qū)動(dòng)制冷器溫度信號(hào)2、PID溫度控制電路（1）原理：探測(cè)器電信號(hào)與預(yù)先設(shè)置的電17（2）關(guān)鍵元器件A、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：電阻值隨溫度的增大而減小。（2）關(guān)鍵元器件A、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：電阻值隨溫度的增大而18B、半導(dǎo)體制冷器B、半導(dǎo)體制冷器19Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔半導(dǎo)體激光器課件20（3）PID溫控電路圖（3）PID溫控電路圖21PID電路的功能：P+I使系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差；P+D改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；使得電路系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確快速地測(cè)得周圍的溫度并給出調(diào)控。PID電路的功能：使得電路系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確快速地測(cè)得周圍的溫度并22謝謝！謝謝！23Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔

半導(dǎo)體激光器

—宋紅芳

Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔

半導(dǎo)體激光器

24一、半導(dǎo)體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理二、激光二極管產(chǎn)生激光的特點(diǎn)三、外腔結(jié)構(gòu)四、機(jī)械設(shè)計(jì)五、電流控制—恒流源六、溫度控制一、半導(dǎo)體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理二、激光二極管產(chǎn)生激光25一、半導(dǎo)體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理1、組成增益介質(zhì)：半導(dǎo)體材料，主要有GaAs、InP、CdS、ZnS等泵浦源：電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種主要激勵(lì)方式諧振腔：半導(dǎo)體晶體中垂直于PN結(jié)平面的兩個(gè)解理面（也可以是經(jīng)過拋光的平面）作為反射鏡構(gòu)成諧振腔一、半導(dǎo)體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理1、組成262、激光產(chǎn)生條件實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件（1）、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：通過一定的激勵(lì)方式，使半導(dǎo)體物質(zhì)的導(dǎo)帶底層電子數(shù)遠(yuǎn)大于價(jià)帶頂層電子數(shù)。在電注入方式下：選用重?fù)诫s的P型與N型材料，給PN結(jié)加一個(gè)足夠大的正向偏壓。2、激光產(chǎn)生條件實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件（1）27（2）、閾值條件：（增益大于損耗）A、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，增益系數(shù)越大——摻雜程度足夠大，激勵(lì)電流足夠大B、損耗來源于多方面，一般是腔長(zhǎng)越長(zhǎng)損耗越大。對(duì)于給定的半導(dǎo)體激光管，要滿足閾值條件就是要有足夠大的激勵(lì)電流——閾值電流（2）、閾值條件：（增益大于損耗）A、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，增28（3）、諧振條件：IAB激光PNL圖1激光二極管內(nèi)激光的產(chǎn)生（3）、諧振條件：IAB激光PNL圖1激光二極管內(nèi)29二、激光二極管的特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、壽命長(zhǎng)、效率高等2、缺點(diǎn)：激光性能受溫度影響大、光束發(fā)散角大（幾到二十度范圍）、激光的方向性、單色性和相干性比較差外腔結(jié)構(gòu)二、激光二極管的特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電30三、外腔結(jié)構(gòu)1、由激光二極管、準(zhǔn)直透鏡和閃耀光柵組成入射光一級(jí)光原路返回零級(jí)光出射d圖2外腔結(jié)構(gòu)示意圖三、外腔結(jié)構(gòu)1、由激光二極管、準(zhǔn)直透鏡和閃耀光柵組成入射光一312、需滿足方程：……①一級(jí)閃耀……②諧振條件（1）從激光二極管中出射的光波長(zhǎng)范圍很大，但是波長(zhǎng)滿足①式的光會(huì)發(fā)生一級(jí)閃耀，原路返回。（2）腔長(zhǎng)滿足②式，則返回的光與激光管內(nèi)發(fā)出的光諧振。2、需滿足方程：……①一級(jí)閃耀……②諧振條件32（3）對(duì)于零級(jí)光，光程差：即：也就是說，在零級(jí)這個(gè)方向上任意波長(zhǎng)的光都可以出射——各波長(zhǎng)的零級(jí)譜線是重合的。然而由于只有發(fā)生一級(jí)閃耀的光被諧振放大，所以從零級(jí)方向出射的光，該波長(zhǎng)的占主導(dǎo)，為激光。閃耀光柵相當(dāng)于一個(gè)半透半反鏡，一級(jí)“反”，零級(jí)“透”。（3）對(duì)于零級(jí)光，光程差：即：也就是說，在零級(jí)這個(gè)方向33四、機(jī)械結(jié)構(gòu)四、機(jī)械結(jié)構(gòu)34Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔半導(dǎo)體激光器課件35Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔半導(dǎo)體激光器課件36五、電流控制—恒流源由于半導(dǎo)體激光器具有二極管的特性，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電源來說是一個(gè)非線性負(fù)載。而發(fā)光功率隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大而增大。為了保證電源供電的安全、可靠、穩(wěn)定以及低電壓大電流，需要一個(gè)恒定電流源。五、電流控制—恒流源由于半導(dǎo)體激光器具有二極管的特性37恒定電流源的電路原理圖恒定電流源的電路原理圖38六、溫度控制

1、溫度對(duì)半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定度的影響（1）閾值電流隨溫度升高而明顯增大；（2）溫度上升造成激光峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移；（3）激光管壽命隨溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律下降；（4）溫度變化引起外腔光程長(zhǎng)度的改變，導(dǎo)致激光器工作模式的不穩(wěn)定。六、溫度控制1、溫度對(duì)半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定度的影響392、PID溫度控制電路（1）原理：探測(cè)器電信號(hào)與預(yù)先設(shè)置的電信號(hào)做比較差值信號(hào)信號(hào)處理驅(qū)動(dòng)制冷器溫度信號(hào)2、PID溫度控制電路（1）原理：探測(cè)器電信號(hào)與預(yù)先設(shè)置的電40（2）關(guān)鍵元器件A、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：電阻值隨溫度的增大而減小。（2）關(guān)鍵元器件A、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電