最新第5章固体激光器ppt课件

在纯净的、不含杂质的半导体中，由于热运动而产生的自由电子和空穴数量很少。这
时，半导体是一个不导电的绝缘体。但如果半导体中掺入杂质，情况就不同了。如四价半 导体中掺入五价半导体，就会在导带下形成杂质能级。杂质能级上电子很容易转移至导带 上去，这种杂质称为施主。掺施主杂质的半导体称为电子型半导体或N型半导体。而如果 我们在四价半导体中掺入三价元素，则会在价带上方形成受主杂质能级，价带上的电子可 跑到受主能级上去，从而在价带上产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或P型半 导体。
长 的 时 间 隧 道，袅
第5章固体激光器
工作物质 物理过程 激光谱线
泵浦源 泵浦特点
优缺点
输出特性 特点
固体激光器
红宝石激光器
Al2O3＋Cr2O3；Cr3＋决定光谱性能 三能级系统
0.6943μm+0.6929μm；0.6943μm占优 势
脉冲氙灯
YAG激光器
Al2O3＋Y2O3＋Nd2O3；Nd3 ＋决定光谱性能
⑤双简并半导体——半导体中存在两个费米能级。 (图f ); 两个费米能级使得导带中有自由电子；价带中有空穴。
4.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带
(图a—e )中的情况都只有一个费米能级，在它上面没有有自由电子，在它下面已经被 电子充满，不可能发生电子跃迁，只能将外来光子吸收。
一实用的固体工作物质
大多数为脉冲激光器，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约为几个微米 转换效率低(总体效率：激光输出与泵浦源的电输入之比)
总体效率大概为0.5%-1%
1%-3%
输出能量大；峰值功率高；
5.1.4 新型固体激光器
3. 高功率固体激光器 ➢高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续 及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。 ➢从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物 质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提 出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。
P 区
能量
EeP P区
EVP
EeP
EfP
hf
EVP
PN
结空 间电 场区
+ + + + ++
N 区
EeN Ef
N区 EVN EeN EfN
hf
EVN
PN结的能带和电子分布
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。
• 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。
E2
初态
hf12
E1
E2
终态
hf12
E1
(a)受激吸收
(b)自发辐射
hf12
hf12
(c)受激辐射
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 高常射能的状级速态电率下子分N1数别＞分比N2别例，为于受NN激11和 和吸NN收22与物且受比质在例激正系辐 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N2＞N1， 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 物故称质为。粒N2子＞数N1反的转分分布布与。正常状态相反，
四能级系统
1.35μm +1.06μm；一般只 产生1.06μm 氪灯
由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励
*泵浦灯和激光棒分别位于椭圆聚光腔的两条焦线上 *泵浦光源中仅有少部分与工作物质吸收带相匹配的光能是有用的。
阈值高、温度效应非常严重、室温下不适 于连续和高重复率工作
阈值低、有优良的热学性质、 适于连续和高重复率工作；是 目前能在室温下连续工作的唯
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。
5.4 半导体激光器
3.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问 题，图(5-25)给出了温度极低时的情况。
图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
①在未掺杂质的本征型半导体中，费米能级居于禁带中央，导带内的电子或价带内 的空穴是非简并化分布(图a)。
图(5-8) 板条形固体激光器结构示意图
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。
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：
th
ln1 (R1R2)
2L
• t h 是 阈值增益系数；
• 是谐振腔内激活物质的损耗系数；
• L为谐振腔长度
• 激光振荡的相位条件为：
•
L q 或 L 2nL
2n
半导体激光器的基本结构
• 同质结 • 单异质结（LH） • 双异质结（DH）
以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器。其特点为超小型、高效率、低 成本、工作速度快和波长范围宽等。它是激光光纤通信的重要光源。目前在光存储、激光 高速印刷、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面广泛应用。而在光信息处理、光 计算机和固体激光器泵浦等方面却正是方兴未艾。
自1962年半导体砷化嫁（GaAs）同质结激光器问世后，半导体从同质结、单异质结、 双 异质结到半导体激光器阵列，波长范围履盖了可见光到长波红外，逐渐地成为现代激 光器件中的应用面最广、发展最为迅速的一种重要器件类型。
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
5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件
一、有关半导体的基础知识 1．能带 构成半导体激光器的工作物质是半导体晶体。在半导体晶体中，电子的运动状态和单 个原子时的情况大不相同，尤其是其外层电子有了明显的变化，即所谓的“共有化运动”。 量子力学证明：当N个原子相接近形成晶体时，由于共有化运动，原来单个原子中每 一个允许能级要分裂成 N个与原来能级很接近的新能级。在实际的晶体中，由于原子数目 N非常大，新能级又与原来能级非常接近，所以两个新能级间距离很小（相互间的能级差 为10-22） ，几乎可把这一段能级看作是连续的。我们便把这N个能级所具有的能量范围 称为“能带”。不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这个间隔范围内电子不能处于 稳定状态，实际上形成一个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度 Ev来衡量。下 图说明了原子中子轨道、能级及能带之间的对应关系。
双异质结（DH)LD的结构
限制层GayAl1-yAs 有源层G来自As 限制层GaXAl1-XAs
GaAs衬底
光辐射
金属接触
+ (a)
P GayAl1-yAs
E
(b)
能 量
空穴
N 折
(c) 射
率
P GaAs
－
N GaXAl1-XAs 电子
复合
异质势垒
＜5%
P 光
(d) 功
率
双异质结（DH)LD的工作原理示意图
②在轻掺杂P型半导体中，受主能级使费米能级向下移动(图b);轻掺杂N型半导体中， 施主能级使费米能级向上移动(图d);
③在重掺杂P型半导体中，费米能级向下移到价带中，低于费米能级的能带被电子填 满，高于费米能级的能态都是空的，导带中出现空穴——P型简并半导体 (图c);
④在重掺杂N型半导体中，费米能级向上移到导带中，低于费米能级的能带被电子填 满，高于费米能级的能态都是空的，导带中也有自由电子——N型简并半导体 (图e);
• 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
P(E)1exp 1E[Ef ] KT
• 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，
• E f 位于禁带中央；N型半导体中E f 增大；在P型半导体中 E f 减小。
半导体的能带和电子分布
能量 Eg
价带
Ee
Ef/2 Ef
Ef/2
Eg
Ev
价带
Ee Ef
Eg
Ev
Ee Ef
Ev
(a)本征半导体 空穴
(b)N型半导体 电子
(c)P型半导体
• 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
同以气体或固体作为工作物质的激光器一样，欲使半导体材料产生激光，同样要使半 导体材料中电子能态发生变化，以形成一定的粒子数反转，并且要有一个合适的光学共 振腔。但是，由于半导体材料中电子运动的特殊性半导体激光器又有着许多不同于气体和 固体激光器的特性。因此，要深入了解半导体激光器的特性和原理，我们必须先了解有关 半导体材料的一些理论基础。
2．电子和空穴的统计分布 统计物理学指出：热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费 米分布，一个电子占据能量为E的能级的几率为
1 fn(E) EEF
e kT 1
由上式可见，对于某一温度T，能级E上的电子占据率唯一地由费米能级EF所确定， 因此可以把EF视作电子填充能级水平的一把“尺子”。
图(5-23) 固体的能带
图(5-23) 固体的能带
图(5-24) 本征半导体的能带
在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带叫做“价带”，如某一能带被电子填 满，则称之为“满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带叫做“空带’，若价带 中的电子受激而进入空带，则此空带称为“导带”，同时，价带上由于价电 子激发 到导带后留下一些空着的能级称为“空穴”。 “价带” 和“导带”之间是“禁带”。
图523固体的能带精选ppt29图523固体的能带图524本征半导体的能带在晶体中由价电子能级分裂而成的能带叫做价带如某一能带被电子填满则称之为满带而在未激发情况下无电子填入的能带叫做空带若价带中的电子受激而进入空带则此空带称为导带同时价带上由于价电子激发到导带后留下一些空着的能级称为空穴
进 入 夏 天 ，少 不了一 个热字 当头， 电扇空 调陆续 登场， 每逢此 时，总 会想起 那 一 把 蒲 扇 。蒲扇 ，是记 忆中的 农村， 夏季经 常用的 一件物 品。 记 忆 中 的故 乡 ， 每 逢 进 入夏天 ，集市 上最常 见的便 是蒲扇 、凉席 ，不论 男女老 少，个 个手持 一 把 ， 忽 闪 忽闪个 不停， 嘴里叨 叨着“ 怎么这 么热” ，于是 三五成 群，聚 在大树 下 ， 或 站 着 ，或随 即坐在 石头上 ，手持 那把扇 子，边 唠嗑边 乘凉。 孩子们 却在周 围 跑 跑 跳 跳 ，热得 满头大 汗，不 时听到 “强子 ，别跑 了，快 来我给 你扇扇 ”。孩 子 们 才 不 听 这一套 ，跑个 没完， 直到累 气喘吁 吁，这 才一跑 一踮地 围过了 ，这时 母 亲总是 ，好似 生气的 样子， 边扇边 训，“ 你看热 的，跑 什么？ ”此时 这把蒲 扇， 是 那 么 凉 快 ，那么 的温馨 幸福， 有母亲 的味道 ！ 蒲 扇 是 中 国传 统工艺 品，在 我 国 已 有 三 千年多 年的历 史。取 材于棕 榈树， 制作简 单，方 便携带 ，且蒲 扇的表 面 光 滑 ， 因 而，古 人常会 在上面 作画。 古有棕 扇、葵 扇、蒲 扇、蕉 扇诸名 ，实即 今 日 的 蒲 扇 ，江浙 称之为 芭蕉扇 。六七 十年代 ，人们 最常用 的就是 这种， 似圆非 圆 ， 轻 巧 又 便宜的 蒲扇。 蒲 扇 流 传 至今， 我的记 忆中， 它跨越 了半个 世纪， 也 走 过 了 我 们的半 个人生 的轨迹 ，携带 着特有 的念想 ，一年 年，一 天天， 流向长