§12.4半導(dǎo)體激光器姓名：xxx學號：xxxxx本章主要內(nèi)容1.激光器2.半導(dǎo)體3.半導(dǎo)體激光器§1.激光器什么是激光器？使入射光得到放大，是核心供給工作物質(zhì)能量光抽運激光束工作介質(zhì)泵浦源只讓與反射鏡軸向平行的光束能在激活介質(zhì)中來回地反射，連鎖式地放大。最后形成穩(wěn)定的激光輸出。

※1.1激光器工作原理高能態(tài)電子束＞低能態(tài)電子束同頻同相光→諧振腔內(nèi)多次往返放大高能態(tài)→低能態(tài)→同頻率同相位的光發(fā)射激光※1.2激光的振蕩閥值

激光工作物質(zhì)位于諧振腔內(nèi)，當工作物質(zhì)的某對能級之間發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布時，頻率處在這對能級自發(fā)輻射譜線寬度內(nèi)的微弱光信號，將獲得增益而放大；由于諧振腔內(nèi)存在各種損耗，光信號在其中傳輸時，又會不斷衰減。

能否產(chǎn)生振蕩,取決于增益與損耗的大小。對光學諧振腔,要獲得光自激振蕩,須令光在腔內(nèi)來回一次所獲增益,至少可補償傳播中的損耗。

激光振蕩閾值是腔內(nèi)輻射由自發(fā)輻射(熒光)向受激輻射(激光)轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折點?！?.3激光器的增益和損耗(一)激光器的增益增益系數(shù)的定義：光強隨距離的變化：G代表光波在介質(zhì)中經(jīng)過單位長度路程光強的相對增長率，也代表介質(zhì)對光波放大能力的大小。增益：在注入電流的作用下，激活區(qū)受激輻射不斷增強。(一)激光器的增益推導(dǎo)可得：其中——反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度——受激輻射截面積可見，激光介質(zhì)增益系數(shù)正比于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，其比例系數(shù)為受激輻射截面積。正常分布狀態(tài):

熱平衡態(tài)下,粒子數(shù)按能級的分布為玻爾茲曼分布(二)激光器的損耗1、內(nèi)部損耗

增益介質(zhì)內(nèi)部由于成分不均勻、粒子數(shù)密度不均勻或有缺陷而使光產(chǎn)生折射、散射等使部分光波偏離原來的傳播方向，造成光能量的損耗?！獌?nèi)部損耗系數(shù)（單位長度的損耗）2、鏡面損耗當強度為I的光波射到鏡面上，其中r1I(或r2I)反射回腔內(nèi)繼續(xù)放大，其它的部分均為損耗，包括t1I(或t2I)、鏡面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束擴散到反射鏡范圍以外造成的損耗，用a1I(或a2I)表示。

r1、r2——反射鏡M1M2的反射率，

t1t2——M1M2的透射率※1.4激光器的閥值條件閾值是所有激光器的屬性，它標志著激光器的增益與損耗的平衡點，即閾值以后激光器才開始凈增益?！铽@得激光所要求的雙程放大倍數(shù)為：即則形成激光所要求的增益系數(shù)的條件為：令§2.半導(dǎo)體半導(dǎo)體，指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。通過擴散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體(P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體)。將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。其電場的方向由N指向P，稱為內(nèi)電場。P-N結(jié)內(nèi)電場方向※2.1半導(dǎo)體器件的發(fā)光機理當如果在PN結(jié)上加正向電壓，外電場與內(nèi)電場的方向相反，擴散與漂移運動的平衡被破壞。外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷，同時N區(qū)的自由電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷，于是空間電荷區(qū)變窄，形成較大的擴散電流。如右圖所示當外加電場與內(nèi)電場方向相反時，電子被迫從N區(qū)向P區(qū)方向集結(jié)，當足夠數(shù)量的電子能級上升到導(dǎo)帶能級，它們的電子能級就超過了勢壘能級，電子流過P-N結(jié)進入P區(qū)。此時價帶中有許多空穴存在而導(dǎo)帶中有許多電子存在，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。來自導(dǎo)帶的電子失去它的一些能量并下降到價帶時，它們和空穴復(fù)合并產(chǎn)生出光子。這種過程稱為復(fù)合。在理想情況下，能量完全以光子的形式釋放出來。如果這一過程自發(fā)地發(fā)生，則該發(fā)出的光子能量近似地等于帶隙的能量Eg，所產(chǎn)生的光子在隨機的方向上進行。另一方面，若在復(fù)合區(qū)有足夠密度的光子存在，則自發(fā)發(fā)射(或復(fù)合)及受激復(fù)合兩者都會發(fā)生，所產(chǎn)生的受激光子的行進方向和原始光子相同。※2.1半導(dǎo)體器件的發(fā)光機理直接復(fù)合中一個光子產(chǎn)生一個電子和一個空穴，它們碰撞后又放出一個光子；間接復(fù)合中載流子被trapT捕捉到，在trapsite中發(fā)生復(fù)合，并放出熱?！?.半導(dǎo)體激光器P型N型電流金屬接觸有源層解理面半導(dǎo)體激光器

是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，是一種在電流注入下能夠發(fā)出相干輻射光（相位相同、波長基本相同、強度較大）的光電子器件。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)簡圖工作三要素：受激光輻射、諧振腔、增益大于等于損耗。自發(fā)光輻射（發(fā)光二極管）

當給器件加正向偏壓時，n區(qū)向p區(qū)注入電子，p區(qū)向n區(qū)注入空穴，在激活區(qū)電子和空穴自發(fā)地復(fù)合形成電子-空穴對，將多余的能量以光子的形式釋放出來，所發(fā)射的光子相位和方向各不相同，這種輻射叫做自發(fā)輻射。受激光輻射（半導(dǎo)體激光器）

在材料設(shè)計時，考慮將p區(qū)和n區(qū)重摻雜等工藝，使得輻射光嚴格在pn結(jié)平面內(nèi)傳播，單色性較好，強度也較大，這種光輻射叫做受激光輻射?！?.1半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管的區(qū)別以GaAs半導(dǎo)體激光器為例來說明其基本結(jié)構(gòu)及其發(fā)光圖示※3.2半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)圖GaAs激光器的結(jié)構(gòu)簡圖※3.3半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)由于半導(dǎo)體材料的折射率一般較大，因此反射系數(shù)較大，所以兩個與p-n結(jié)平面垂直的解理面即構(gòu)成相互嚴格平行的諧振腔。圖

激光束的空間分布示意圖垂直于結(jié)面的兩個平行的晶體解理面形成法布里-珀羅諧振腔，兩個解理面是諧振腔的反射鏡面。在兩個端面上分別鍍上高反膜和增透膜,可以提高激射效率。半導(dǎo)體激光器和普通的發(fā)光二極管基本上相同的，兩者的主要差別就是前者有解理面形成的諧振腔。※3.4半導(dǎo)體激光器工作的閥值條件激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)還需要滿足閾值條件

增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系也取決于諧振腔內(nèi)的工作物質(zhì)在一定的時間間隔內(nèi)，注入激光器的電子總數(shù)與同樣時間內(nèi)發(fā)生的電子與空穴復(fù)合數(shù)相等而達到平衡。◆要實現(xiàn)電子數(shù)的反轉(zhuǎn)，輸入電流要很高。當電流較小時，此時只發(fā)出普通光，當電流增大到某一值時，開始發(fā)射出激光，此電流即是閥值電流。※3.5半導(dǎo)體激光器閥值電流的測定

半導(dǎo)體激光器的光譜隨激勵電流而變化，當激勵電流低于域值電流時，發(fā)出的光是熒光。

當電流增大到閾值時，發(fā)出的光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加。這表明出現(xiàn)了激光。其光譜為分布如右圖所示。由此可見知光譜變窄，單色性增強是半導(dǎo)體激光器達到閾值時的一個特征，因而可通過激光器光譜的測量來確定閾值電流?！?.6半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點及應(yīng)用半導(dǎo)體激光的應(yīng)用十分廣泛，如激光切割，激光焊接，激光打標，激