半导体激光器基本结构
半导体激光的原理和应用
半导体激光的原理和应用引言半导体激光是一种重要的光学器件，具有广泛的应用领域。
本文将介绍半导体激光的工作原理及其在通信、医疗、制造业等领域的应用。
工作原理半导体激光的工作原理基于半导体材料的特性。
当电流通过半导体材料时，会激发出光子并形成发光。
具体工作原理如下：1.pn结构：半导体激光器的基本结构是由p型半导体和n型半导体组成的pn结构。
在pn结构中，p区和n区之间形成空间电荷区，也称为p-n 结。
2.电流注入：当通过pn结施加适当的电压，电子从n区向p区流动，形成电流注入。
这些电子与空穴在p区与n区之间复合，产生光子。
3.光反射：在激光器的两侧，通常会使用反射镜，以确保光子在激光器内部多次反射，增加激射效果。
4.放大效应：在光子多次反射后，激光器中的光子会被放大，形成激光束。
5.激光输出：当光子放大到一定程度时，会通过激光输出端口输出，形成一束聚焦强度高的激光。
应用领域半导体激光广泛应用于下述领域：1. 通信领域•光纤通信：半导体激光器的小体积、高效率和调制速度的优势，使其成为光纤通信中的关键元件。
它们被用于发送和接收信号，实现高速、稳定的数据传输。
•光纤传感器：半导体激光器可以用于光纤传感器中的光源，通过测量光的特性实现温度、压力和应变等参数的监测。
2. 医疗领域•激光眼科手术：半导体激光器可以用于激光眼科手术，如LASIK手术。
它们通过改变角膜的形状来矫正近视、远视和散光等眼科问题。
•激光治疗：半导体激光器可以用于激光治疗，如治疗疱疹病毒感染、减少毛囊炎症等。
3. 制造业领域•材料加工：半导体激光器用于材料加工，如切割、焊接和打孔等。
由于激光束的高能量密度和聚焦性，它们可以实现高精度的材料加工。
•激光制造：半导体激光器可以用于激光制造，如3D打印、激光烧结等。
它们可以实现复杂结构的制造，提高生产效率。
4. 科研领域•光谱分析：半导体激光器可以用于光谱分析，如拉曼光谱和荧光光谱。
它们可以提供高分辨率和高灵敏度的光谱结果，帮助科研人员研究物质的性质。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理激光技术在现代科学和工业中起着至关重要的作用，而半导体激光器是其中一种常用的激光器类型。
它通过半导体材料的特殊性质来产生激光光束。
本文将详细介绍半导体激光器的工作原理。
一、激光的基本原理要了解半导体激光器的工作原理，首先需要了解激光的基本原理。
激光是一种特殊的光，与普通的自然光有很大区别。
激光光束具有相干性、单色性和聚焦性等特点，这些特征使得激光在各个领域有广泛的应用。
激光的产生是通过光子的受激辐射过程实现的。
在光学腔中，光子通过与激发状态的原子或分子发生相互作用，被吸收并获得能量。
然后，这些激发的原子或分子会受到外界刺激，由高能级跃迁到低能级，释放出原子或分子的“多余”能量。
这些能量会以光子的形式，经过光放大器的反射和反射，最后通过激光器的输出窗口发出。
这样就形成了一束特殊的激光光束。
二、半导体激光器的结构半导体激光器是利用半导体材料的特性来产生激光的器件。
它的主要结构由正、负型半导体材料组成，通常是p型和n型半导体，中间夹层为n型材料。
具体来说，半导体激光器一般由以下几个关键部分构成：1. 激活层（active layer）：激活层是半导体激光器的核心部分，也是激光的产生和放大的地方。
它由两种半导体材料之间的异质结构构成，通常是由n型和p型材料组成。
当外加电流通过激活层时，会在激活层中产生载流子（电子和空穴）。
2. 波导层（waveguide layer）：波导层是指导激光光束传播的部分，其材料的折射率通常比周围材料低。
通过选择合适的波导层结构，可以实现激光束的单模（TEM00）输出。
3. 管腔（cavity）：管腔是激光器中的一个重要元件，它由两个高反射率镜片构成，将光线限制在波导层中，形成光学腔。
其中一个是部分透射的输出镜，另一个是全反射的输出镜。
管腔的长度决定了激光的波长。
4. 电极（electrodes）：电极主要用于施加电场，控制激光器的开启和关闭。
它们通常位于激光器的两端，通过外接电源提供正向或反向偏置电压。
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ppt课件
应用：
半导体激光器应用十分广泛，主要分布在军事、生产和医疗方面：
军事：Ⅰ)激光引信。半导体激光器是唯一能够用于弹上引信的激光器。 Ⅱ)激光制导。它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。 Ⅲ)激光测距。主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。 Ⅳ)激光雷达。高功率半导体激光器已用于激光雷达系统
目录
CONTENTS
1 基本介绍及发展 2 基本原理及构成
3 主要特性
4 分类、应用及发展前景
基本介绍及发展
高能态电子束>低能态电子束
高能态
低能
态
同频同相
的光发射
同频同相光 谐振腔内多次往返
放大
激光
激光：通过一定的激励方 式，实现非平衡载流子的 粒子数反转，使得高能态 电子束大于低能态电子束， 当处于粒子数反转状态的 大量电子与空穴复合时， 便产生激光。
激光具有很好的方向性和 单色性。用途十分广泛
高功率半导体激光器
① 、1962年9月16日，通用电气公司的罗伯特·霍尔 （Robert Hall） 带领的研究小组展示了砷化镓（GaAs）半导体的红外发射， 首个半 导体激光器的诞生。 ②、70年代，美国贝尔实验室研制出异质结半导体激光器，通过对光 场和载流限制，从而研制出可在室温下连续运转且寿命较长的激光器。 ③、80年代，随着技术提升，出现了量子陷和超晶格等新型半导体激 光器结构； 1983年，波长800nm的单个输出功率已超过100mW，到 了1989年，0.1mm条宽的则达到3.7W的连续输出，转换效率达39%。 ④、90年代在泵浦固体激光器技术推动下，高功率半导体激光器出现 突破进展。。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵 连续波输出功率达121W，转换效率为45%。
《激光原理》5-4半导体激光器
图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
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，价带中出现空穴——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);
满带：若能带中各个能级全部被电子填满，则称为满带。 非满带：若能带中只有一部分能级填入电子，则称为非满带。 空带：若能带中各个能级都没有电子填充，则称为空带。 价带：价电子的能级所分裂而形成的能带称为价带。 导带：空带和未被价电子填满的价带称为导带。
二、绝缘体、导体和半导体
1、绝缘体
导带（空带）
能带的特征：（1）只有满带和空带；（2）满 带和空带之间有较宽的禁带，禁带宽度一般大 于3eV。（约3～6 eV）
Si Si Si Si
Si Si
+ B
Si
N型半导体（电子型）：
四价元素Si，Ge，掺五价元 素P，Sb，Td
导带 施主能级
价带
五价原子将在代替四价元素的原子，多出的一个价电子只在杂质离子的电场
范围内运动。杂质原子称为施主原子，相应的杂质能级称为施主能级。量子
力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处, 极易形成电子
对于重掺杂的 GaAs P－N 结，在P－N 结的附近，导带中有电子而价带中有空穴， 这一小段区域称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并 在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光子的激发下 跃迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大 于受激吸收光子的速率。
通信光电子基础第四讲半导体激光器件基础知识
.
Free Electron Si
P型半导体（C）
将3价原子（硼、镍、铟等 ）掺入本征半导体中， 则 将多余出空穴数目，形成p 型半导体。空穴为主要载流 子，电子为次要载流子。 因为3价原子可以提供接纳 电子的空穴，故称为受主杂 质（Acceptor impurity). 它的费米能级EF下降到价带 之中，因此价带顶部与导带 都是空穴、EF之下的价带才 充满电子。
(5.2 10)
111 mr mv mc
(5.2 11)
mr 减小的有效质量
d k dk,
mr
1
k
(
Eg
)
1 2
2mr 2
2
由 (15.1 5)式
(k )dk
k 2V 2
dk
可得，
(k)dk ＝ V
k2 2
dk＝
mr
k
d ,
(0
)＝
0
(
E
g
)
1 2
2mr 2
1
2
mr20 T2 fc () fv () 24n2 1＋ 0 2 T22
本征半导体（A）
本征半导体的能级图。上园弧线表示 导带—上能级(EC) 、下弧线表示价带 —下能级(EV)。当本征本导体温度为0 K时，其费米能级EF处在导带与价带的 中间。这意味着EF以下的价带被电子 占满故也称为满带，而EF以上的导带 都是空的没有被电子填充。本征半导 体内部电子密度与空穴密度相等。 最理想的本征半导体是由一种物质的 原子组成的纯净物，如硅、锗等。化 合物GaAs也属于本征半导体。
被B asov、B ernard、Duraf f oug首次发现。
图5 6 在某一确定的抽运强度 N下， 典型的增益 (0 )频率关系曲线
单模半导体激光器
单模半导体激光器
单模半导体激光器是一种使用半导体材料制造的激光器，能够产生单一模式（即具有特定波长和方向的激光束）。
它通常由半导体材料（如GaAs或InP）制成的PN结构组成，其中包
含一个激活区域。
在单模半导体激光器中，激活区域通过注入电流被激发，并产生光子。
光子在激光器的材料中来回反射，并在激光器两端的反射镜之间形成光学腔。
其中一个反射镜是一个半透明薄膜，允许激光束从其中透出。
由于单模半导体激光器中的光学腔长度非常短（通常为几毫米到几厘米），因此只能支持特定的激射模式。
这种结构使单模半导体激光器能够产生单一模式的激光束，其特点是产生高质量、高亮度和较窄的光束。
单模半导体激光器具有多种应用，包括光纤通信、激光器打印、激光雷达、科学研究等。
它们具有体积小、功耗低和可靠性高等优点，广泛应用于现代通信和工业领域。
半导体激光器工作原理及基本结构
半导体激光器工作原理及基本结构半导体材料的带隙能级结构：半导体材料有一种特殊的能带结构，即价带和导带之间的能带隙。
在室温下，绝大多数的电子都位于价带中，而导带中的电子很少。
当半导体材料被外加能量（如电子或光子）激发时，部分价带中的电子可以跃迁到导带中，形成电子空穴对（即一个自由电子和一个电子准正空穴）。
基本结构：1.活性层：活性层是半导体激光器中的关键组成部分，由两种不同的半导体材料组成，通常是p型半导体和n型半导体。
活性层的主要作用是在激发能量下产生电子空穴对。
2.限制层：限制层位于活性层的两侧，通过选择性的掺杂和选用合适的材料，限制层能够限定和增强光场在活性层中的传播。
3.p型区和n型区：p型区和n型区分别为半导体激光器提供正负载流子。
其中p型区富含准正空穴，n型区富含自由电子。
这种介质结构导致了在活性层中形成电子与准正空穴的往复跃迁。
工作原理：1.连续工作模式：（1）原始激发：在激光器的活性层中，通过电流或光激励，会使得电子和准正空穴对被激发到导带和价带之间，产生电子空穴对。
（2）产生反映：电子和准正空穴对在原地跃迁，产生辐射效应。
由于受到限制层的调控，只有在活性层的中央区域产生的光才能被放大。
（3）光放大：放大的光通过反射和吸收来回往复传播，不断增强。
当光子数目经过数次放大后超过临界值，就会发生光放大。
（4）光输出：当光子数目增加到一定程度时，会反射出一部分光线，形成输出激光。
2.脉冲工作模式：与连续工作模式相比，脉冲工作模式中，外加的激发电流或光脉冲的时间和强度较短，产生的激光输出也更为短暂和高强度。
脉冲工作模式在通信、医疗和材料加工等领域有广泛应用。
总结：半导体激光器利用半导体材料的带隙能级结构和电子之间的跃迁来产生激光。
其基本结构由活性层、限制层、p型区和n型区组成。
在连续工作模式中，通过激励产生电子空穴对，在活性层中逐渐放大并输出激光。
在脉冲工作模式中，产生的激发脉冲时间短暂，输出的激光也对应短暂和高强度的脉冲。
第6章 半导体激光器讲解
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，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。
中心波长：在激光器发出的光谱中，连接50％ 最大幅度值线段的中点所对应的波长。
830 828
I=100mA Po=10mW
832 830 828
I=85mA Po=6mW
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构
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，再利用谐振腔的正反馈， 实现光放大而产生激光振荡的。
光受激辐射、发出激光必须具备三个要素：
1、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；
2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；
3、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大， 发出激光。
图 3.6 DH (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV) h f =Eg
式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，
c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
生的自发辐射光作为入射光。
产生稳定振荡的条件（相位条件）
2L m / n
m 纵模模数，n 激光媒质的折射率
半导体激光器原理及结构设计1
➢相干性好
➢ 高亮度 由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通 光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。
子数Ne大于吸收的光子数Na。在热平衡状态被破坏的情况下，要引入导带
准费米能级EFn和价带准费米能级EFp：
1 fc(E)e(EEFn)/kBT1
fv(E)e(EEFp1)/kBT 1
进一步推导得到，为了实现电子数分布反转，则要求：
EFn- EFp> Ec- Ev= Eg
振荡放大过程
尽管开始时多个方向的波都 有，但终究有少量方向、频率、 相位与腔体所能容许的光波完全 一致，这一部分光波就会发生干 涉而加强，所对应的光子在腔内 共振，出现正反馈，使自发发射 过程转变为受激发射的过程。
激光介质的基本工作模式
激活介质的四能级系统：如上图（b）所示，E0为基态， E1 、E2 和E3为激发态，其中E2为亚稳态，E1和E3能级寿命很短。在泵浦作 用下，基态粒子被“抽运”到激发态E3上，E3态粒子极快地无辐射 跃迁到了亚稳态E2 能级，同时E1能级寿命也很短，其上粒子也极快 跃迁到了基态。而E2 态相对稳定，粒子寿命较长，因此很容易在E2 能级和E1能级间形成粒子数反转。
器件结构
解理面
P-N结
基本结构：pn结+谐振腔（抛光镜面或解理面围成的有源区）
实现激光输出必须满足的条件
电子的分布反转 振荡放大、有增益
电子数分布反转
在热平衡条件下，电子处于能量为E的状 态的几率f(E)由费米—狄拉克分热平衡条件下，电子基本处于价带，而导带几乎是空的。
半导体激光器
导带组成，如图(5-24)。
图(5-24) 本征半导体的能带
图(5-23) 固体的能带
同质结和异质结半导体激光器
• 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性，如图(5－29)所示。 阈值电流密度: 影响阈值的因素很多 方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。
半导体的能带和产生受激辐射的条件
在一个具有N个粒子相互作用的晶体中， 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、 每一个能级会分裂成为N个能级， 锗等，在绝对温度为零的理想 因此这彼此十分接近的N个能级好 状态下，能带由一个充满电子 象形成一个连续的带，称之为能带， 的价带和一个完全没有电子的 见图(5-23)。
p( E ) 1 exp(
1 E Ef kT
式中，k为波兹
)
曼常数，T为热
力 学 温 度 。 Ef 称为费米能级， 用来描述半导体
中各能级被电子
占据的状态。
PN结的特性
当P型半导体和N型半导体结合后，在它们之间就出 现了电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都要从 浓度高的地方向浓度底的地方扩散，扩散的结果 破坏了原来P区和N区的电中性，P区失去空穴留下 带负电的杂质离子，N区失去电子留下带正电的杂 质离子，由于物质结构的原因，它们不能任意移 动，形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。其 电场的方向由N指向P，称为内电场。该电场的方 向与多数载流子（P区的空穴和N区的电子）扩散 的方向相反，因而它对多数载流子的扩散有阻挡 作用，称为势垒。
在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向 性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模 光纤芯径小，数值孔于半导体的导带，价带都有一定的宽 度，所以复合发光的光子有较宽的能 量范围，因而产导体激光器的发射光 谱比固体激光器和气体激光器要宽。 半导体激光器的光谱随激励电流 而变化，当激励电流低于域值电流时， 发出的光是荧光。这时的光谱很宽， 其宽度常达百分之几微米。如图 (a) 所示。当电流增大到阈值时，发出的 光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增 加。这表明出现了 激光。其光谱
半导体激光器的结构组成及原理
半导体激光器的结构组成及原理
半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件。
它主要由以下几个组成部分构成：
1. 激活区：半导体激光器的激光产生部分，通常由n型和p型半导体材料组成。
当外加电压作用下，电子和空穴在激活区相遇并发生合并，产生激光光子。
2. 波导：激光光子在激活区中产生后，通过波导结构进行引导和放大，形成激光束。
波导通常由高折射率和低折射率交替排列的多层材料组成，以形成光的传播路径。
3. 反射镜：用于反射和放大激光光子的光学元件。
半导体激光器通常采用薄膜反射镀膜技术，在输出端和输入端分别镀有高反射膜和半反射膜，以达到光的反射和放大。
4. 功率控制结构：用于调节半导体激光器输出的光功率。
常见的方法包括调节电流、温度和光子密度等。
半导体激光器的工作原理是基于半导体的能带结构和电子与空穴的复合释放能量的特性。
在激活区的p-n结附近，通过电流注入或电场作用，能带之间的载流子迁移，使得电子和空穴在激活区碰撞并发生复合，释放能量的过程中，激发出的光子产生共振放大，并形成激光束。
半导体激光器具有尺寸小、效率高、调制速度快等优点，广泛应用于通信、激光打印、医疗和材料加工等领域。
半导体激光器工作原理及基本结构ppt课件
1
半导体、固体激光器
工作原理及基本结构 器件分类（主要参数） 应用
2
半导体激光器工作原理及结构
半导体激光器按泵浦方式不同，可以分为注入式激光器、光泵激 光器和电子束泵浦激光器。其中注入式激光器是利用同质结构或 异质结将大量的过剩载流子(电子一空穴对)注入激活区以形成集 居数反转。这类激光器由于容易实现电流直接调制输出，因此它 是目前使用最为广泛的一种半导体激光器，所以接下来我们来着 重介绍一下注入式半导体激光器的工作原理。
一定波长的受激光辐射在谐振腔内形成振荡的条件: 腔长=半波长的整数倍 L=m(λ/2n)
7
增益和阈值电流
增益：在注入电流的作用下，激活区受激辐射不断增 强。
损耗：受激辐射在谐振腔中来回反射时的能量损耗。 包括载流子吸收、缺陷散射及端面透射损耗等。
阈值电流：增益等于损耗时的注入电流。
11
半导体激光器的应用
• 在产业技术上的应用：
1. 光纤通信。光纤通信已经成为当代通信技术的主流。半导体激 光器是光纤通信系统的唯一实用化的光源； 2. 光盘存取。半导体激光器已经用于光盘存储器，其最大优点就 是存储信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘存储密度； 3. 光谱分析。远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析， 监测大气污染、汽车尾气等； 4. 光信息处理。半导体激光器已用于光信息处理系统。表面发射 半导体激光器，二维列阵是光并行处理系统的理想光源，可用于 光计算和光神经网络。 5. 激光微细加工。借助于Q开关产生的高能量超短光脉冲，对集 成电路进行切割、打孔等。
3
半导体激光器工作原理及结构
注入式半导体激光器 是一种在电流注入下能够发出相干辐射光（相位相同、
半导体激光器工作原理及基本结构
半导体激光器工作原理及基本结构一、工作原理1.荷豆模型在半导体材料中，价带中的电子和导带中的空穴之间存在禁带。
当在半导体材料中施加电压时，使得导带的电子与价带的空穴之间发生复合，释放出能量。
这些能量释放的过程称为辐射复合，可以产生光子。
2.PN结PN结由P型材料和N型材料构成。
当外加正向偏压时，电子从N区向P区移动，空穴从P区向N区移动。
当电子与空穴发生复合时，会释放能量并产生光子。
这个过程叫做受激辐射。
3. 双异质结狭缝结Laser腔双异质结狭缝结Laser腔是半导体激光器中的关键部分。
它由N型半导体、无掺杂半导体和P型半导体构成。
在P区和N区之间有一个高折射率的无掺杂材料，形成光学腔。
当电流通过激光器时，光子在光学腔中来回多次反射，产生受激辐射，形成激光。
二、基本结构1.顶部光输出窗口顶部光输出窗口是半导体激光器的光输出口，通常由透明的材料制成，如薄膜或外延层。
光通过这个窗口从激光器中输出。
2.激光腔激光腔由双异质结狭缝结Laser腔和P-N结构构成。
当电流通过激光器时，光子在激光腔中来回反射，形成激光。
3.P-N结P-N结由P型半导体和N型半导体构成。
当电流通过P-N结时，激活材料中的电子和空穴，使它们受到激发并产生光子。
4.底部反射镜底部反射镜是反射激光的组件。
它通常由金属反射镜或布拉格反射镜构成，用于增强激光的反射。
除了这些基本结构外，半导体激光器通常还包括P-N结电极、N阳极和P阴极等组件，用于正向偏压激活P-N结并控制电流流动。
总结起来，半导体激光器的工作原理是基于半导体材料的光电特性和电子激发，通过PN结和双异质结狭缝结Laser腔的相互作用来产生激光。
其基本结构包括顶部光输出窗口、激光腔、P-N结和底部反射镜。
半导体激光器具有技术成熟、小型化、高效率和易于集成等优点，是现代光子学和信息技术中不可或缺的重要器件。
半导体激光器的设计
半导体激光器的设计半导体激光器是一种使用半导体材料作为激光介质的激光器。
它具有结构简单、体积小、效率高和成本低的优点，被广泛应用于通信、医疗、显示和材料加工等领域。
在设计半导体激光器时，需要考虑激光器的结构、材料、工艺和调谐等方面。
首先，半导体激光器的结构包括活性区、波导和光臂。
活性区是半导体材料的关键部分，通过注入电流激发电子和空穴的复合发射激光。
波导则用于引导激光光束的传播，通常采用宽带隔离层增加光学反射并阻止光的漏耗。
光臂用于使激光束能够从激光器输出。
因此，在设计过程中需要优化活性区的尺寸和形状，选择合适的波导材料和结构，以及确定合适的光臂尺寸。
其次，半导体激光器的材料主要是III-V族化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）。
这些材料具有优良的电子结构和光学性能，可实现高效的电-光转换效率。
在设计过程中，需要选择合适的材料以满足应用的需求，并结合其能带结构和光学特性进行设计。
第三，半导体激光器的工艺包括材料的生长、器件的制备和封装。
材料的生长通常采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）等技术，以实现高质量的半导体材料。
制备器件时，需要采用光刻、蚀刻、金属沉积和多次真空封装等工艺步骤。
这些工艺对激光器性能的稳定性和可靠性有很大影响，因此需要制定合适的工艺流程并进行严格的工艺控制。
最后，半导体激光器的调谐技术是其另一个重要设计方面。
调谐技术可以改变激光波长，实现光源的多样化应用。
目前常用的调谐技术包括温度调谐和注入电流调谐。
温度调谐通过改变器件的温度来调整激光波长，注入电流调谐则通过改变注入电流的大小来实现。
还有一些其他调谐技术，如光栅调谐、可移动镜片调谐和外部光场调谐等。
在设计中需要综合考虑不同调谐技术的优劣，以及应用的需求来选择合适的调谐方式。
综上所述，半导体激光器的设计涉及结构、材料、工艺和调谐等方面的考虑。
通过合理设计和优化，可以实现高效、稳定和可靠的半导体激光器，满足各种应用的需求。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理
半导体激光器（Semiconductor laser）是基于半导体材料的激光器。
它的工作原理是将半导体材料中的电子和空穴被通过电场力和光学力向上而移动，在量子阱中产生激光光。
这种激光器具有低成本、小尺寸、低功率消耗等特点，在通信、光存储、医疗、工业等领域中有广泛的应用。
半导体激光器的工作原理具体可分为三个部分：
半导体材料的量子阱：半导体材料中的量子阱是激光产生的核心部分，量子阱是由两种半导体材料，即p 型和n型半导体材料组成。
电场驱动：当电流通过半导体激光器时，电场力会使p型和n型半导体材料中的电子和空穴向上而移动。
光学驱动：当电子和空穴在量子阱中相遇时，会发生光学驱动，这时电子会从高能级跃迁到低能级，释放出激光光。
当电场和光学驱动共同作用时，激光器产生了连续或
间断的激光光。
半导体激光器具有低成本、小尺寸、低功率消耗等优点，在通信、光存储、医疗、工业等领域中有广泛的应用。
半导体激光器发光原理及工作原理
半导体激光器发光原理及工作原理半导体材料由两种导电性的杂质掺杂而成，称为P型（富少子，多空穴）和N型（富多子，多自由电子）。
这两种材料通过P-N道多子结（PN 结）连接在一起，形成了一个具有正、负电荷的片状结构。
当PN结处于不加电压的情况下，P区的空穴和N区的自由电子会因为浓度差异而发生扩散，逐渐交换位置，形成电子和空穴的复合。
这时，电子和空穴的复合将能量以热量的形式释放出来。
当PN结加上一个外部的正偏电压，就会发生能带结构的变化。
在外加电场作用下，电子从N区向P区移动，空穴从P区向N区移动，形成一个冲击电子空穴对。
当电子和空穴相遇时，完成一个能量级的跃迁，能量以激光光子的形式发射出来。
这是半导体激光器的发光原理。
半导体激光器的工作原理是通过外加电压将PN结处于激活状态，产生光子。
在工作过程中，激活的PN结形成一个光泵场，加速输送电子和空穴，并形成一个正向偏移电流。
这个电流使激活部分产生相干光输出，并且能量很高。
同时，外部光泵场加速电子和空穴的输送，使得继续的跃迁事件几乎不需要外部加热或其他形式的能量输入。
半导体激光器的结构通常包括一个PN结和两个反射镜。
PN结通常由不同的半导体材料组成，例如镓砷化物（GaAs）和砷化铝镓（AlGaAs）混合构成的异质结构。
镜面通过反射镜来增加光子的输送，形成光腔。
当激发电流通过PN结时，会产生一个相干光束，通过反射镜的多次反射，光子将不断受激辐射和放大，从而形成激光输出。
半导体激光器具有体积小、效率高、发光波长范围广等优点，广泛应用于通信、医疗、制造等领域。
在通信中，半导体激光器可用于光纤通信系统中的激光器发射器和接收器。
在医疗中，半导体激光器常用于激光治疗和激光手术。
在制造中，半导体激光器可用于激光切割、激光打标、激光焊接等应用。
总结起来，半导体激光器的发光原理是利用外加电压激活PN结，在电流的作用下，电子和空穴相遇发生跃迁，产生激光光子。
半导体激光器的工作原理是通过外加电压将PN结处于激活状态，产生相干光输出，并且利用反射镜来增加光子的输送，形成激光输出。
半导体激光器的光学特性测试
实验八半导体激光器的光学特性测试[实验目的]1、通过实验熟悉半导体激光器的光学特性。
2、掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节。
3、根据半导体激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。
[实验仪器]1、半导体激光器及可调电源2、光谱仪3、可旋转偏振片4、旋转台5、光功率计图1. 半导体激光器的结构[实验原理]1、半导体激光器的基本结构至今，大多数半导体激光器用的是GaAs或Ga1-x Al x As材料，p-n结激光器的基本结构如图1所示。
P—n结通常在n型衬底上生长p型层而形成。
在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过,这电流使结区附近的有源区内产生粒子数反转，还需要制成两个平行的端面起镜面作用，为形成激光模提供必须的光反馈。
图1中的器件是分立的激光器结构，它可以与光纤传输线连接，如果设计成更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光路。
2、半导体激光器的阈值条件：当半导体激光器加正向偏置并导通时，器件不会立即出现激光振荡。
小电流时发射光大都来自自发辐射，光谱线宽在数百唉数量级。
随着激励电流的增大，结区大量粒子数反转，发射更多的光子。
当电流超过阈值时，会出现从非受激发射到受激发射的突变。
实际上能够 观察到超过阈值电流时激光的突然发生，只要观察在光功率对激励电流曲线上斜率的急速突变，如图2所示；这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的缘故。
从定量分析，激光的阈值对应于：由受激发射所增加的激光模光子数(每秒)正好等于由散射、吸收激光器的发射所损耗的光子数（每秒）。
据此，可将阈值电流作为各种材料和结构参数的函数导出一个表达式：)]1(121[8202Rn a Den J Q th +∆=ληγπ （1） 这里，Q η是内量子效率，O λ是发射光的真空波长，n 是折射率，γ∆是自发辐射线宽，e 是电子电荷，D 是光发射层的厚度，α是行波的损耗系数，L 是腔长，R 为功率反射系数。
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第3章 通信用光器件
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带 时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式 (3.1)得到 h f=Eg 式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长， c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10－34 J· s为普朗克常数，1 eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
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1. 受激辐射和粒子数反转分布
有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物 质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比 基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 …)称为激发态。电子在低能级E1的 基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图 3.1)： (1) 受激吸收。 (2) 自发辐射。 (3) 受激辐射。
第3章 通信用光
(3.5)
式中，λ为激光在真空中传播的波长，n为激活物质的折射率， λ/n为激光在介质中传播的波长，q=1, 2, 3，…称为纵模模数。 式(3.5)意味着，L应为介质中激光传播波长的1/2的整数倍。
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4. 半导体激光器基本结构
半导体激光器的结构多种多样，基本结构如图3.5示出 的双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型 半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。图中标出所 用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.1~0.3 μm的窄禁带 P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽禁带的P型和N型半 导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两 个晶体介质里面作为反射镜构成法布里-珀罗(F-P)谐振腔。
E2-E1 =10.20eV 令g2=g1 =1，在室温T=300K时(kT近似为0.026eV)，可以 计算出
10.20 n2 e 0.026 e392 10170 n1
第3章 通信用光器件 2. PN结的能带和电子分布 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。 在这种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展 成能级连续分布的能带。晶体的能级谱在原子能级的基础上
按共有化运动的不同分裂成若干组，每组中能级彼此靠近，
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。
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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。
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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
第3章 通信用光器件
光 源
光检测器 光无源器件 小 结
第3章 通信用光器件
3.1 光 源
3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构 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，再利用谐振腔的正反馈，实现光 放大而产生激光振荡的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的 光放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开 始。
hc 1.24 ( m) Eg Eg
(3.6)
第3章 通信用光器件
2. 激光束的空间分布
激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光 器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距 离处的光强分布。图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远 场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行 于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称 为激光器的横模。由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振 腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直 于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。
第3章 通信用光器件
另一方面，由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存
在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相等 (满足振幅平衡条件)时，在谐振腔内就会建立稳定的激光振
荡，其阈值条件为
1 1 th＝＋ ln 2 L R1 R2
(3.4)
式中，γth为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系 数，L为谐振腔的长度，R1、R2<1为两个反射镜的反射率。
第3章 通信用光器件 如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这 种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。 N2>N1的分布和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒 子(电子)数反转分布。 例：以氢原子为例，它的第一激发态能量为E2=-3.40eV，
基态能量为E1=-13.6eV，则