第3章 半导体激光器材料
半导体激光器基本结构
第3章 通信用光器件
产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位 物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为 N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布
N2 E2－E1 ＝exp－ N1 kT
(3.2)
式中，k=1.381×10－23 J/K，为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。 由于(E2－E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。这是因 为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速 率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如 果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光 强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。
第3章 通信用光器件
T I th＝I 0 exp( ) T0
(3.9)
式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特 征温度。GaAlAs-GaAs激光器T0=100～150 K、InGaAsP-InP激光 器T0=40～70 K，所以长波长InGaAsP-此靠近，
组成有一定宽度的带，称为能带。形成共价键的价电子所占 据的能带称为价带（低能带），而价带上面临近的空带（自
由电子占据的能带）称为导带（高能带）。二者之间的区域
称为禁带。
第3章 通信用光器件
3. 激光振荡和光学谐振腔
粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产 生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方 向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 基本的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，并被称为法布里-珀罗(F-P，Fabry Perot)谐振腔。由于 谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自 发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播 的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈， 不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提 高。
半导体激光器 材料
半导体激光器材料
半导体激光器，也被称为激光二极管，是一种使用半导体材料作为工作物质的激光器。
由于物质结构上的差异，不同种类的半导体激光器产生激光的具体过程会有所不同。
在制作半导体激光器时，需要使用满足一定要求的半导体材料。
这些要求包括：
1. 直接带隙：只有具有直接带隙的材料，在电子-空穴复合产生光子时，才无需声子参加，从而有较高的发光效率。
2. 晶格匹配：作用层和限制层的晶格需要匹配，以确保激光器的性能。
3. 晶体完整性：要求晶体完整，位错密度、有害杂质浓度应尽量小。
常用的半导体激光器工作物质包括砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
此外，半导体材料是一类具有半导体性能的电子材料，其导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内。
按照化学组成、
结构和性能的不同，半导体材料可以分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体等。
总的来说，对于半导体激光器的应用和发展，其材料的选择和处理是非常重要的。
半导体激光器资料
半导体激光器资料半导体激光器（Semiconductor Laser）是一种利用半导体材料发射激光的装置。
该装置被广泛应用于通信、医学、材料加工等领域，是20世纪最重要的科技创新之一、本文将介绍半导体激光器的原理、结构、性能及应用。
半导体激光器的工作原理主要是电子复合：当电流通过半导体器件时，正电子与负电子之间发生复合的现象，释放出能量。
这种能量释放通过光的形式，即激光。
与其他类型的激光器不同，半导体激光器的工作原理是基于半导体材料的直接能带结构，可以利用半导体材料的电学性质来控制激光的特性。
半导体激光器通常由以下几个基本部分组成：激活材料、泵浦源、光学腔、输出镜和电流注入结构。
半导体激光器的激活材料一般是由III-V族元素化合物半导体材料构成，如氮化镓（GaN）、磷化铟（InP）等。
泵浦源通常是电流或光，其作用是提供能量给激活材料。
光学腔是由两个平行的半反射镜组成，通过反射来放大光强。
输出镜是腔外的一面镜子，用于将激光从腔中引出。
电流注入结构是用来提供电流给激活材料。
半导体激光器具有许多优点，如体积小、能耗低、效率高、寿命长等。
其小巧的体积使得半导体激光器可以集成到复杂的系统中，例如通信设备中的激光二极管。
能耗低意味着半导体激光器可以在电池供电的移动设备中使用，并且不会过度消耗电能。
高效率使得半导体激光器可以更好地利用能量，输出更强的激光功率。
寿命长意味着半导体激光器的使用寿命较长，不需要频繁更换，从而降低了维护成本。
半导体激光器具有广泛的应用，其中最重要的一项是通信。
半导体激光器可以通过光纤传输大量的数据，提供高速、高带宽的通信。
此外，半导体激光器还可以用于激光打印机、医学设备、材料加工等领域。
例如，半导体激光器可以用于激光雷达、激光治疗器和激光切割机等设备中。
总之，半导体激光器是一种重要的光源装置，具有广泛的应用前景。
通过利用半导体材料的电学性质，可以控制激光的特性，使其具有小巧、高效、长寿命的特点。
半导体激光器原理
半导体激光器原理
半导体激光器是利用半导体材料的特性产生激光束的一种器件。
它的工作原理基于半导体材料中电子能级的跃迁。
在激光器中，通常使用的半导体材料是由两种不同掺杂类型的半导体材料构成的PN结。
当外加电压施加在PN结上时，电
子从N区域流向P区域，而空穴则从P区域流向N区域。
当
电子和空穴在PN结的交界处重新结合时，会释放出能量。
这
能量释放的过程就是激光产生的基础。
在半导体材料中，能带结构可以分为价带和导带。
当材料处于基态时，电子填充在价带中，但是通过提供适当的能量，电子可以跃迁到导带中。
这个过程被称为光激发或电子激发。
在半导体激光器中，通过施加电压，使准确能量的电子跃迁至导带。
这个过程被称为激子的形成。
当电子从激子态跃迁回到基态时，会释放出光子。
这些光子经过多次反射和放大（通过增强光程），形成了强大的激光束。
为了增强激光的一致性和方向性，半导体激光器通常使用谐振腔。
谐振腔由两个反射镜构成，使得光以特定波长的形式在激光器内部反射。
其中一个反射镜是高反射镜，具有非常高的反射率，而另一个镜子是半透射镜，只有一小部分光能透过。
通过调节激光器的驱动电流和温度等参数，可以控制激光的频率和输出功率。
半导体激光器可以广泛应用于通信、医疗、制造和科学研究等领域。
半导体激光器
这种激光器发光效率更高，电 流阈值更小，出射光单色性更好。
导带
E3C E2C E1C
ΔEC
垂直于有源层方向上运动的载
hv
流子动能可量子化成分立的能级， Eg(GaAlAs) 这类似于一维势阱的量子力学问题，
Eg(GaAs)
因而这类激光器叫做量子阱激光器。
E1V E2V
E3V 价带
E1V E2V
ΔEV
1964诺贝尔物理学奖
• N.G.巴索夫
• 用于产生激光 光束的振荡器 和放大器的研 究工作
半导体激光器研究前沿
夹于宽带隙半导体（如GaAlAs）中间的窄带隙半导体 （如GaAs）起着载流子（电子和空穴）陷阱的作用，一般的 半导体激光器其厚度约为100～200nm，但随着有源层厚度的 减小，如5～10nm，载流子在垂直于有源层方向上出现量子 效应，即出现量子化分立能级，称之为量子阱激光器。
半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结 或PIN结为工作物质的一种小型化激光器。其工作原理 是受激辐射，利用半导体物质在能带间跃迁发光，用半 导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜， 组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输 出激光。
半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器 的半导体材料有砷化稼（GaAs）、砷化铟（InAs）、氮 化镓（GaN）、锑化铟（InSb）、硫化镉（Cds）、蹄 化镉（CdTe）、硒化铅（PbSe）、啼化铅（PhTe）、 铝镓砷（A1xGaAs）、铟磷砷（In-PxAs）等。
增益区的导带有大量的电子，价带大量是空穴，在电子 和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合， 产生自发辐射光。这种光发射的范围宽、不集中、效率低。 要真正实现粒子数反转以发射激光，必须对载流子及发射光 施加附加的限制——异质结的引入。
4第三章半导体激光器件(精)
自由电子定向移动 形成电子流 外电场E
+4
禁带EG 价带
束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流
+4
+4
+4
本征半导体
由此我们可以看出：
1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴 它们是成对出现的
2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动 空穴流 价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动
主要半导体材料
★ IV族半导体材料 ----硅Si，锗Ge
间接带隙
----用于集成电路、光电检测
★ III-V族化合物半导体材料 ---GaAs, InP，GaAlAs，InGaAsP
---用于集成电路、发光器件、光电检测
★ II-VI族化合物半导体材料 ----GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe
E fc E fv h Eg
PN结的形成
内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动 P区 N区 扩散运动 载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流
扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡
内电场
我们一起作个总结
因浓度差
38
处于反转状态，受激辐射 可大于受激吸收！
PN结光电效应
Light
PN结光电效应
当光子能量大于半导体的禁带宽度时，在 PN结的耗尽 区、P区和N区都将产生光生的电子-空穴对。 在耗尽区产生的光生载流子在内电场的作用下，电子迅 速移向 N区，空穴迅速移向 P区，从而在回路中产生光 电流。 在P区和N区产生的光生载流子由于没有内电场的作用， 只能进行自由扩散，大多数将被复合掉，而对光电流的 贡献很小。 为了充分利用各区产生的光生载流子，通常在实际的 半导体的PN结上加有适当的反向偏压。
半导体激光器
半导体激光器简介：半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。
常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。
半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。
同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。
工作原理：半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。
半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。
电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。
电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。
光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。
现状：目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。
半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。
半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。
半导体激光器
半导体激光器半导体激光器：光电技术的重要突破引言随着科技的飞速发展，半导体激光器作为一项重要的光电技术正逐渐成为人们关注的焦点。
半导体激光器具有窄谱线宽、高光输出功率、高能量转换效率等优点，广泛应用于通讯、医学、照明等领域。
本文将为您详细介绍半导体激光器的原理、特点以及应用前景。
一、半导体激光器的原理半导体激光器是一种通过激发半导体材料产生激光的器件。
它由半导体材料构成，其中镜子是主要的光学部件。
通过在半导体材料中注入电流，将电能转化为光能，通过反射镜的反射和透过作用，使光在腔内来回反射，从而放大并产生激光。
这一过程主要依赖于激子的生成、传输和激发。
二、半导体激光器的特点1. 窄谱线宽：半导体激光器的谱线宽度通常较窄，能够在光的频域内集中较大的功率。
这一特点使得半导体激光器在光通信领域具有重要的应用前景。
2. 高光输出功率：半导体激光器的光输出功率较高，在一定应用范围内能够满足大功率光源的需求。
这也使得半导体激光器在照明和激光加工等领域得到广泛应用。
3. 高能量转换效率：相对于其他类型的激光器，半导体激光器的能量转换效率较高。
这一特点使得半导体激光器在能源利用效率方面具有优势。
4. 尺寸小、重量轻：由于半导体激光器的结构简单，尺寸小、重量轻，因此便于集成和便携。
这也为其在手持设备和便携式仪器等领域的应用提供了更多可能性。
三、半导体激光器的应用1. 光通信：半导体激光器具有较高的调制速度和窄的发射谱线宽度，使其在光通信系统中得到广泛应用。
目前，大部分的光通信系统都采用半导体激光器作为光源。
2. 医学：半导体激光器在医学领域有着广泛的应用，如激光治疗、激光手术和皮肤美容等。
半导体激光器的小尺寸和高功率输出使其成为医学器械领域的理想选择。
3. 照明：半导体激光器在照明领域的应用越来越受到关注。
相较于传统照明设备，半导体激光器具有较高的能量转换效率和较长的寿命，能够提供更加稳定和均匀的照明效果。
4. 激光显示：半导体激光器也被应用于激光显示技术中。
第3章 PN结与半导体激光器 I 2013.9.27
电致发光
正向偏压使pn节形成一个增益区： -导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转 -大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光
n
h v
p
外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发 光
P接正、N接负
形成外电场， 方向与内电场 相反，内电场 被削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的扩 散电流。
P IF + –
内电场 外电场
N
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电阻变小， 正向电流增大，PN结处于导通状态。
8
总目录 章目录 返回 上一页 下一页
正向偏压使耗尽区变窄
耗尽区变窄
n
p
U
扩散 > 漂移
加正向电压时PN结的能带图
P型区 eV 导带 eVD N型区
eV
e(VD-V) 价带 空间电荷区
电子扩散 长度
Eg EF (EF)N
空穴扩散 长度
EF (EF)P 价带
22
外加直流电压下p-n结能带图
电子扩散区
势垒区变化 忽略不计
空穴扩散区
EFn-EFp=qV
电子浓度小，EFn变化大 空穴浓度高，EFp变化小
U
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P
–
加电压的增加而迅速增大。 子形成的反向电流很小， 它是二极管外加 向电流为零 与反向电压无关 反向特性 反向电压时的电 压电流关系曲线 外加电压大于死区电压二极 管才能导通
+N 当外加电压较小时，外电场 硅管0.5V 死区电压 当正向电压超过死区电压时， 当反向电压小于反向击穿 还不足以克服内电场对多数 电压U（BR）时由少数载流 二极管导通，正向电流随外 锗管0.1V 载流子扩散运动的阻力，正
半导体激光器资料
半导体激光器资料
可以参考下面的内容
一、半导体激光器的定义
半导体激光器（semiconductor laser）是一种激光器，它的腔面由
金属外壳封装的半导体材料制成，具有可靠性、体积小、成本低等特点，
是目前微纳尺度激光技术中最重要的、应用最广泛的激光尺度。
半导体激
光器基本工作原理是电子以固定的速度在内部半导体中运动，在它的路径上，它会发射有定向性的射线，从而可以产生出一束激光光束。
半导体激
光器可以分为极化激光器，平面波导激光器和相位整形激光器等。
其中极
化激光器是最常用的半导体激光器，其结构类似于管状对称腔，其正反折
射率之比等于晶体的折射率之比，因此它能够实现高发射能量，且在有限
的腔体尺寸内，其发射光谱线宽度非常小（可以达到百纳米级），它的频
率可以多比较准确的控制。
二、半导体激光器的特点
1、结构小巧：半导体激光器发射的光束广泛应用，其体积可以极小，甚至可以把一个激光器安装在一个硬币大小的硬件上，具有安装方便灵活、可移动通道的特点，是汽车辅助安全检测、激光打印机等设备的最佳光源。
2、发射能量强：半导体激光器发射的能量强度非常大，可以节省电流，减少发射时间，从而消除材料表面上的气泡，减少材料的热量影响。
半导体激光器材料
★ 科技：光源、激光冷却、全息、激光光解
激光核聚变
这是激光核聚变靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生 核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。
激光焊接
高能激光（能产生约5500 oC的高温）把大 块硬质材料焊接在一起
用激光使脱落的视网膜再复位
（目前已是常规的医学手术）
用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素
3
N2 exp{( E 2 E1 ) / kT} N1
粒子数反转状态Leabharlann E2 E1E2 E1
为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成粒子数 反转的状态。
3、粒子数反转：产生激光的必要条件
怎样才能实现粒子数反转呢？ 粒子数反转状态 1）提供足够的能量； 2）原子在激发态多“呆” 一会； 3）减小损失，不断放 大。
为半导体异质结。
3.1.3 量子阱激光器
异质结厚度仅为1～10nm的异质结激光器 称为量子阱激光器。
量子阱激光器的优点是阈值电流仅为异质结激 光器的四分之一，因此有利于光集成化和制作大功 率半导体激光器，并且它的光束质量好，有利于提 高光通信的质量。
3.1.4 分布反馈激光器
分布反馈激光器是一种侧壁被做成周期
4
又如单色性最好的氪灯，其中心波长6057埃 波长范围： 波长范围：
4.7 10 A
3
He-Ne Laser
中心波长
10 A
7
6328 A
4）相干性好
相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。 相干性越好则光场中各点光振动在频率、振 动方向的一致性越好，相位的关联性也越好。 相干性越好则光场中任取两点作光源所产生 的干涉和衍射的条纹越清晰。
第3章半导体激光器材料
第3章半导体激光器材料半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的装置。
它具有小巧、高效、工作电流低等优点，在光通信、激光打印、激光雷达等领域有广泛的应用。
半导体激光器正是依靠半导体材料的特殊性能，实现激光的放大与输出。
半导体激光器的材料通常采用半导体化合物材料，如氮化镓、氮化铝、磷化铟等。
这些材料具有宽的能带隙，能够实现电子和空穴的高浓度注入，从而形成载流子浓度反转的状态。
当激光器通电时，由于自发辐射和受激辐射的作用，激发的载流子会向较低能级跃迁，产生的光子经过光学谐振腔的放大，最终形成激光输出。
半导体激光器的性能主要取决于材料的特性。
首先，正如前面提到的，用于制造半导体激光器的材料必须具有宽的能带隙，这样才能实现载流子的高浓度注入。
其次，材料的带边电子结构和晶格结构对激光器的性能也有很大影响。
例如，氮化镓材料具有较高的自发辐射复合系数和较短的寿命，使其在可见光波段和紫外光波段具有优势。
而磷化铟材料则在红外光波段具有较好的性能。
此外，半导体激光器材料的物理性能也对其性能产生影响。
例如，材料的载流子效率决定了注入载流子的效率，进而影响了激光输出的功率和效率。
材料的散射损耗和波导损耗也会使激光器的性能受到限制。
因此，对材料的品质以及加工工艺的要求都非常严格。
在半导体激光器材料的研究中，一直都在寻找具有更好性能的新材料。
例如，磷化铟镓材料具有较宽的带隙，良好的饱和流特性和较低的热损耗，逐渐成为高功率半导体激光器的理想材料。
此外，砷化锗材料也被认为是近年来研究的一个热点，其具有较窄的带隙和高辐射转化效率。
总之，半导体激光器材料对激光器的性能起着至关重要的作用。
随着材料科学和技术的不断发展，新材料的研究进展将进一步推动半导体激光器的发展，为各种应用领域带来更高效、更可靠的激光器产品。
半导体激光器制备及其材料特性研究
半导体激光器制备及其材料特性研究一、引言近年来，随着信息技术的发展，对计算机和通信设备的需求不断增加，这也带动了半导体激光器在这一行业的应用。
半导体激光器是一种具有广泛应用前景的光电子器件，其制备和材料特性研究日益受到关注。
二、半导体激光器的制备半导体激光器是一种利用半导体材料的能带结构和注入电子在材料中的电子空穴复合过程来实现的光发射器件。
其制备主要包括四个方面：材料生长、器件加工、腔体设计和光学测试。
1. 材料生长半导体激光器的材料主要是GaAs和InP等半导体材料。
其中，GaAs是激光器材料中使用最多的一种。
GaAs的制备通常有金属有机分解（MOCVD）和分子束外延（MBE）两种方法，MOCVD法是目前应用较广泛。
2. 器件加工在材料生长之后，需要进行器件加工。
其主要步骤是用光刻技术将氧化层裸露出目标结构区域，然后在目标结构区域内扩散掺杂或反型雕刻等方式进行器件加工。
3. 腔体设计腔体是半导体激光器最核心的组成部分，影响着激光器的性能和特性。
常见的腔体结构有Fabry-Perot（FP）腔、晶体镜腔（DBR）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）腔等。
其中，VCSEL腔结构独特，具有发光效率高和易于实现单模输出等优点。
4. 光学测试材料生长、器件加工和腔体设计形成的器件需要进行光学测试。
常见的测试手段有光谱测试、发光调制和发光效率测试等。
其中，发光效率测试是评价半导体激光器性能和特性的一个重要参数。
三、半导体激光器的材料特性研究半导体激光器的材料特性研究主要体现在以下几个方面：1. 带隙能带结构半导体激光器的工作原理是基于材料的带隙能带结构，带隙与电子和空穴的注入及复合过程密切相关。
因此，对半导体激光器材料的带隙能带结构的研究是了解其物理性质和工作原理的重要途径。
2. 折射率和发射系数半导体激光器的材料发光强度和方向性与其内部光学性质密切相关。
因此，测量材料的折射率和发射系数是评价材料质量的重要参数。
半导体激光器原理 (3)
半导体激光器原理1. 简介半导体激光器是一种能够将电能转换为激光光能的半导体器件。
它具有体积小、功耗低、效率高等优点，广泛应用于光通信、光存储、激光打印、医疗美容等领域。
本文将介绍半导体激光器的工作原理及其组成结构。
2. 工作原理半导体激光器的工作原理基于半导体材料的能带结构。
它利用半导体材料的电子跃迁特性，通过将电子从低能级跃迁到高能级，实现产生激光。
具体工作原理如下：1.能带结构：半导体材料由导带和价带组成，两者之间存在能隙。
电子在导带中具有高能量，而在价带中具有低能量。
2.激子产生：当一个能量足够强的光子进入半导体材料，它可以激发一个电子从价带跃迁到导带，形成一个正电子空穴。
这个电子和正电子空穴称为激子。
3.载流子注入：为了产生激光，需要在半导体中注入额外的电子。
这可以通过将正电子空穴与电子注入半导体材料中实现。
这个过程称为载流子注入。
4.反射与增益：在半导体材料中，激子会受到晶格的散射，而激子的反射和散射过程会产生更多的激子。
这样就会形成一个激光宏观的增益区域。
5.光放大：当激子在增益区域内反射多次后，会形成一个强光场，使得激子的数量进一步增加。
这个过程称为光放大。
6.光反射：光放大后，站在边缘的激子镜面反射光，这样光就会逐渐在镜面上形成正向传播的激光。
3. 组成结构半导体激光器通常由以下组成部分构成：1.有源区：有源区是激光器的主要部分，包含有源层和多个波导层。
有源层是激光发射的地方，而波导层用于引导和放大激光。
有源区通常由多个p型层和n型层交替组成。
2.铝镓砷：铝镓砷（AlGaAs）一种常用的半导体材料，常用于制作激光器的有源区。
3.蓝宝石：蓝宝石是用作激光器的衬底材料，它具有高热传导性和透明度。
4.准分子光学：准分子光学是半导体激光器的重要组成部分，它能够反射、透射和放大光信号。
5.电极：电极用于在半导体材料中注入电流，从而产生激光。
通常设计为p型和n型电极。
4. 工作模式根据激光发射的方式，半导体激光器可以分为连续激光器和脉冲激光器两种工作模式。
光电器件基础第三章半导体激光器(精)
光电器件基础·第三章半导体激光器§3.1 半导体激光器的基础理论§3.2 半导体激光器的分类§3.3 半导体激光器的基本结构§3.4 几种常见的半导体激光器§3.5 半导体激光器的基本特性§3.6 量子阱激光器激光是1964年钱学森首先倡议对LASER 一词的意译名。
LASER 是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母缩写，意思是“光的受激发射放大”。
激光器是以发射高亮度光波为特征的相干光源，是一种光频振荡器，或理解为“激光振荡器”。
1962年砷化镓同质结激光二极管实现了脉冲激射。
1963年H. Kroeme首先提出了用AlGaAs/GaAs双异质结构做成激光二极管可以使激射的阈值电流密度大大降低，从而能得到连续的激光输出的建议。
1969年，前苏联的Zh. I. Alferov与其他几位科学家几乎同时独立地得到了AlGaAs/GaAs异质结激光器的激射，开启了半导体激光器应用的新时代，H. Kroemer和Zh. I. Alferov因此获得了2000年诺贝尔物理学奖。
本章着重介绍半导体激光器的基本原理、基本结构和基本特性。
半导体激光器又称激光二极管（laser diode，LD ），是以半导体材料为工作物质的一类激光器件。
它诞生于1962年，除了具有激光器的共同特点外，还具有以下优点：(1 体积小，重量轻；(2 驱动功率和电流较低；(3 效率高，工作寿命长；(4 可直接电调制；(5 易于与各种光电子器件实现光电子集成；(6 与半导体制造技术兼容，可大批量生产。
由于这些特点，半导体激光器自问世以来得到了世界各国的广泛关注与研究，成为世界上发展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化且产值最大的一类激光器。
经过40多年的发展，半导体激光器已经从最初的低温（77K ）脉冲运转发展到室温连续工作，工作波长从最开始的红外、红光扩展到蓝紫光，阈值电流由105 A/cm2量级降至102 A/cm2量级，工作电流最小到亚mA 量级，输出功率从最初的几mW 到现在的阵列器件输出功率达数kW ，结构从同质结发展到单异质结、双异质结、量子阱、量子阱阵列、分布反馈型（DFB ）、分布布拉格反射型（DBR ）等270多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延（LPE ）、气相外延（VPE ）、金属有机化合物淀积（MOCVD ）、分子束外延（MBE ）、化学束外延（CBE ）等多种制备工艺。
半导体激光器原理
半导体激光器的频 率特性可以通过改 变输入电流来调节 输出光波的频率
半导体激光器的频 率特性可以通过改 变半导体材料的掺 杂浓度来调节输出 光波的频率
半导体激光器的频 率特性可以通过改 变半导体材料的温 度来调节输出光波 的频率
调制特性
半导体激光器的调制特性是指其输出光强随输入电流或电压的变化而变化的特性。
半导体材料的特性：具有带隙、能带结构、电子和空穴的性质 半导体材料的应用：在半导体激光器中半导体材料作为发光介质产生激 光辐射
电子能级结构
半导体激光器的基本原理：电子在半导体材料中的能级跃迁 电子能级结构：电子在半导体材料中的能级分布 电子跃迁：电子从高能级跃迁到低能级释放能量 光子发射：电子跃迁过程中释放的能量以光子的形式发射出来 激光产生：光子发射的频率、相位、方向一致形成激光 半导体激光器的特点：体积小、重量轻、效率高、寿命长
素
波导结构
波导结构是半导体激光器的核心部分 波导结构由两个平行的反射镜组成形成光波在半导体材料中的传播路径 波导结构的设计直接影响激光器的性能和稳定性 波导结构的优化可以提高激光器的输出功率和光束质量
端面结构
半导体激光器的端 面结构主要包括有 源区和波导区
有源区是半导体激 光器的核心部分负 责产生激光
半导体激光器的调制特性可以通过改变输入电流或电压来改变输出光强的大小和频率。
半导体激光器的调制特性可以用于实现光通信、光存储、光显示等领域的应用。
半导体激光器的调制特性可以通过改变输入电流或电压的频率来改变输出光强的频率实现光 通信领域的应用。
05 半导体激光器的应用
光通信领域应用
光纤通信：半导体激光器在光纤通信中广泛应用作为光源和接收器 光网络：半导体激光器在光网络中用于传输数据提高传输速度和稳定性 光存储：半导体激光器在光存储中用于读取和写入数据提高存储容量和速度 光显示：半导体激光器在光显示中用于显示图像和视频提高显示质量和效果
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
E3
E4
E2
E3
E2
E1
h E2 E1
h E3 E2
E1
三能级系统
红宝石激光器
四能级系统
铷玻璃激光器
2、激励源：用来实现和维持粒子数反转。有电激 励，光激励，热激励，化学激励等
激励--从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态 跃迁到高能态能级以实现粒子数反转 的过程（又称“激发”、“抽运” 或 “泵浦”）。
1961年8月，我国第一台红宝石激光器在长春光机所研制 成功 1987年6月，大功率脉冲激光系统-神光装置，在上海光 （学精密）机（械研究）所研制成功
普罗霍罗夫
巴索夫
汤斯
1964年诺贝尔物理学奖一半授予美国马萨诸塞州坎布里奇的 麻省理工学院的汤斯（Charles H．Townes， 1915一），另 一半授予苏联莫斯科苏联科学院列别捷夫物理研究所的巴索 夫（Nikolny G．Basov，1922一）和普罗霍罗夫（ Aleksandr M． Prokhorov， 1916－－），以表彰他们从事量子电子学 方面的基础工作，这些工作导致了基于微波激射器和激光原 理制成的振荡器和放大器。
S 光源
E
3
r
S
E I tS
1mW He--Ne激光器 大功率激光器
太阳
= S /r2
2 1
I 2 10 Wcm sr I 88 103Wcm 2 sr 1 9 17 2 1 I 10 10 Wcm sr
P=1mW的氦-氖激光器的亮度约是太阳光的44倍
与外来光子频率 相同、相位相同、 偏振方向和传播 方向相同。
受激辐射光子
特点： 受激辐射产生的光子与入射光子是完全相干的； 受激辐射中，光子成倍增长，产生了光放大。
激光的产生过程
激光是受激辐射的光，但实际中还存在自发辐射 和吸收， 且粒子数正常分布是：N exp( E / kT )
能 E4 量E
一、激光的产生原理
1、普通光源发光-受激吸收和自发辐射
1）受激吸收
（简称“吸收”）
E2 处在低能级E1的原子受到 h E1
等 于E2-E1的外来能量时， 吸收这一能量跃迁到高能级的 过程。
2)自发辐射
处在高能级（E2）的原子，即使没有任何外界 的激励，总是自发地跃迁到低能级（E1），并 且发射一个频率为，能量h=E2-E1的光子的过 程。
4
又如单色性最好的氪灯，其中心波长6057埃 波长范围： 波长范围：
4.7 10 A
原理图
工作原理： 全 反 射 镜
激光工作物质
半 反 射 镜
out 光放大原理
小结: 激光器的三个主要组成部分
1.工作物质： 有合适的能级结构 能实现粒子数反转 谐振腔
2.激励能源：
使原子激发 维持粒子数反转 3.光学谐振腔： 保证光放大 使激光有良好的方向性和单色性
工作物质
激励系统
四、激光器的种类
3
N2 exp{( E 2 E1 ) / kT} N1
粒子数反转状态
E2 E1
E2 E1
为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成粒子数 反转的状态。
பைடு நூலகம்
3、粒子数反转：产生激光的必要条件
怎样才能实现粒子数反转呢？ 粒子数反转状态 1）提供足够的能量； 2）原子在激发态多“呆” 一会； 3）减小损失，不断放 大。
自发辐射的光是非相干光 E3
E2 E1
E2 E1 h
2、受激发射和光的放大 受激辐射：（1917年爱因斯坦提出）
处在高能级上（E2）的原子，受到能量恰为h=E2-E1 的外来光子的激励（或诱发，或剌激）从而跃迁到低能级 E1，并发射一个与外来光子“一模一样”的光子的过程。
E2 E1 外来光子
E2 E1
二、 激光简史和我国的激光技术
1917年，爱因斯坦提出受激辐射
1958年，汤斯和肖洛发表《红外与光学激射器》， 巴索夫和普罗霍罗夫发表《实现三能级粒子数反 转和半导体激光器建议》
1959年，汤斯提出制造红宝石激光器的建议 1960年，加州休斯实验室的梅曼制成了第一台红 宝石激光器 1964年，汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫分享诺贝尔物 理学奖
1、固体激光器：器件小、坚固、使用方便、输出功率大
2、气体激光器：结构简单、造价低，操作方便，
介质均匀光束质量好且能长时间稳定工作
He-Ne激光器简介：最早(1961)制成且应用最广泛。
激光波长为632.8纳米(氖原子发出)，采用电激励。
高压电源使气体放电，氦激发，能量传递给氖，四
能级系统
3、 液体激光器：输出波长连续可调，覆盖面宽 4、半导体激光器：体积、质量小，寿命长，结构简单而 坚固
3）单色性好
激光所包含的波长或频率范围极小 可使一切金属熔化 一束普通的红光 频率范围： 可使一切非金属化为一缕青烟 3.9 1014 4.7 1014 Hz 0.8 1014 Hz
6328埃的He--Ne激光（中心频率 4.74 10 Hz ) Laser
14
2 10 Hz（理论值，实际几赫兹）
1）光泵抽运 如红宝石激光器
粒子数反转状态
E2 E1
红宝石激光器的示意图
2）电子碰撞 如氩离子激光器 3）化学反应
-
电子 -
如氟化氘激光器等。 4）共振转移
如He--Ne激光器 。
He
-
Ne
Ne
He
-
-
3、光学谐振腔
要有一个能使受激辐射和光放大过程持续的构造：
全反 射镜
实物图 半反 射镜 激光工作物质
三、激光器的结构
1、工作介质：产生激光的原子系统或可以实现粒子数反 转的气体、液体或固体 所谓能级合适是指存在“亚稳态能级”，即存在激 发态寿命=10-3秒左右的能级（一般原子系统的 激发态寿命只有10-8秒）
E3
能 量
激 发
E2
E1
亚稳态能级
产生激光的能级系统（例） （1）三能级系统 （2）四能级系统
五.激光的特性及应用
（一）、激光的主要特性
1、方向性好---激光的发散角小。
l
r
r =2~5mrad（毫弧度） l (1km时光斑直径10m)
激光器
He--Ne激光经纬仪 测月红宝石激光器
Laser
=0.031mrad
=410-5mrad
D=1.6km
2 、亮度高、能量集中
光源亮度--单位面积、单位时间在垂直于光源 表面的单位立体角内发射的能量。 立体角定义：