第三次课(半导体激光二极管和激光器组件)
常见激光器结构及器件功能介绍
常见激光器结构及器件功能介绍激光器是一种产生、放大和聚焦激光光束的器件。
它在现代科学、医疗、工业和战争等领域都有广泛的应用。
常见的激光器结构主要包括激光介质、泵浦源、光学谐振腔和输出窗口等部分。
下面将对这些部分的功能进行详细介绍。
1.激光介质：激光介质是激光器的核心部件，它能够使电能或光能转化为激光能量。
常见的激光介质包括气体（如二氧化碳、氩等）、固体（如Nd:YAG晶体）和液体（如染料溶液）等。
不同激光介质具有不同的特性，决定了激光器的输出特点。
2.泵浦源：泵浦源是激光器产生激光能量的能源，它对激光介质进行能量输入，使之达到激发态。
常见的泵浦源包括电子激发（如气体放电、闪光灯等）、光学激发（如半导体激光二极管、固体激光晶体等）和化学激发（如染料激光器）等。
泵浦源的选择决定了激光器的效率和波长等参数。
3.光学谐振腔：光学谐振腔是激光器中光的来回传播的空间，在谐振腔内激光能量发生倍增和光模式形成。
常见的光学谐振腔包括平面腔、球面腔和折射腔等。
谐振腔的结构和参数决定了激光器的输出特征，如脉冲宽度、线宽和波前质量等。
4.输出窗口：输出窗口是激光器中激光能量传出的接口，它具有透过激光的特性，并使激光尽量少损耗。
常见的输出窗口材料包括光学玻璃、光纤和光学晶体等。
输出窗口的选择和设计是影响激光器输出功率和光束质量的重要因素。
除了上述部分，激光器还包括一些辅助器件和系统，如冷却系统、调谐器和稳频器等，它们的功能主要有以下几个方面：1.冷却系统：激光器在工作过程中会产生大量的热量，需要通过冷却系统来散热，以保持激光介质和泵浦源的稳定性。
常见的冷却方式包括空气冷却、水冷却和制冷剂冷却等。
2.调谐器：激光器的波长可能需要进行调整，以适应不同应用的需求。
调谐器通过改变光学谐振腔的长度或谐振性能，实现激光器波长的可调。
3.稳频器：激光器的频率稳定度对一些应用非常重要。
稳频器通过使用反馈调节和控制系统，使激光器的频率保持在目标值附近的范围内。
半导体激光器的工作原理及应用
半导体激光器的工作原理及应用摘要：半导体激光器产生激光的机理，即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。
由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。
从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。
关键词：受激辐射；光场；同质结；异质结；大功率半导体激光器The working principle of semiconductor lasers and applications ABSTRACT: The machanism of lasing by semiconductor laser,which requires set up specially designated reverse of beam of particles among energy stages,and appropriate optical syntonic coelenteronAs the specificity of structure from semiconductor and moving electrons.something interesting happens.On the one hand,the specific process in producing lase,on the other hand,the beam of light has unique advantages。
As the reasons above,we can easily found it all quartersof the society.From homojunction to heterojunction,from informatics to power,the advantages of laser are in evidence,the wide spectrum,the semiconductor open the epoch in the process of laser. Key worlds: stimulated radiation; optical field; homojunction; heterojunction; high-power semiconductor laser 0 前言半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。
激光器的基本原理
激光器的基本原理
激光器是一种能够产生高度定向、一致相位和高能量的光束的装置。
它的基本原理是通过受激辐射来放大输入光信号，并利用光学共振腔来增强并放出这个特定频率的光。
激光器的主要组成部分包括激光介质、泵浦源和光学共振腔。
激光介质是产生激光的关键组件，它能够吸收外界能量并将其转化为激活原子的激发能量。
常见的激光介质包括气体（例如氦氖激光器）、固体（例如Nd:YAG激光器）和半导体（例
如激光二极管）。
泵浦源用于向激光介质提供能量，激发介质内的原子或分子跃迁到激发态。
泵浦源可以是电子束、光闪烁、电流或其他方法。
通过泵浦源的能量输入，激发态的原子或分子会积聚在一个能级上，形成所谓的反转粒子分布，即在激光产生所需的光子数目超过平衡分布的状态。
在光学共振腔中，激光介质被夹在两个反射镜（一个是部分透射镜）之间，形成一个光学回路。
当光信号通过激光介质时，部分光子被反射，部分光子穿过透射镜。
反射的光子循环反复通过激光介质，与其他经过泵浦源激发的原子或分子相互作用，从而引发受激辐射。
穿过透射镜的光子则是经过放大增强的光信号。
在光学共振腔中，反射镜的选择性反射可以筛选特定波长的光，使其在腔内来回传播多次，从而增强这个特定频率的光强度。
这种光学共振效应使激光器产生了高度定向和一致相位的特性。
最后，通过调整激光介质和光学共振腔的参数，如长度、反射率等，可以调节激光器输出光的特性，例如波长、脉冲宽度和功率等。
综上所述，激光器基本原理是通过受激辐射和光学共振效应来实现输入光信号的放大和增强，从而产生出高度定向、一致相位和高能量的激光光束。
半导体二极管激光器工作原理
半导体二极管激光器，也被称为激光二极管（LD，Laser Diode），是一种将电能直接转换成光能的半导体器件。
其工作原理主要基于半导体的PN结构以及粒子数反转等条件。
首先，PN结是由n型半导体和p型半导体构成的结构，在PN结的交界处，会出现电子和空穴的复合现象，进而形成发光。
当在激光二极管的PN结上加上适当的正向电压时，电子从n型材料向p型材料移动，空穴从p型材料向n型材料移动，它们在PN结区域相遇并发生复合。
这个过程中产生了能量差，能量差被释放成光的形式，从而形成了发光效应。
其次，为了产生激光，必须满足一定的条件，包括粒子数反转、谐振腔的存在以及满足阈值条件。
其中，粒子数反转是指通过一定的激励方式，使得半导体物质的能带之间或者与杂质能级之间实现非平衡载流子的粒子数反转。
谐振腔则是由半导体晶体的解理面形成的两个平行反射镜面，它们能够起到光反馈作用，形成激光振荡。
而满足阈值条件，即增益要大于总的损耗，则需要足够强的电流注入，以便有足够的粒子数反转，从而得到足够大的增益。
总的来说，半导体二极管激光器的工作原理是通过PN结的电子和空穴复合产生发光效应，并通过满足粒子数反转、谐振腔的存在以及阈值条件等条件，从而产生激光并连续地输出。
这种激光器具有结构紧凑、效率高、波长覆盖范围广等优点，因此在激光打印、光通信、医疗设备、实验室和工业检测等领域有广泛的应用。
半导体激光器的模式及特性
激光器发射光功率
p
激光器辐射的光功率 激光器消耗的电功率
VjI
Pex I 2Rs
激光器结电压
激光器串联电阻
注入电流
4.2.6 半导体激光器的基本特性
3.激光器效率 (b)内量子效率
内量子效率I=
有源区内每秒钟产生的光子数 有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数
(c)外量子效率
外量子效率ex= 有源区内每秒钟发射的光子数
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性
(1) 峰值波长 在规定输出光功率时，激光光谱内强度最大的光谱波长被定 义为峰值波长。
(2)中心波长
在光源的发射光谱中，连接50％最大幅度值线段的中点所对 应的波长称为中心波长
(3)谱宽与线宽 包含所有振荡模式在内的发射谱总的宽度称为激光器的谱宽； 某一单独模式的宽度称为线宽。
激光器组件是指在一个紧密结构中（如管壳中），除激光二极管（LD） 芯片外，还配置其他元件和和实现LD工作必要的少量电路块的集成器 件。主要包括：
(1)光隔离器：其作用是防止LD输出的激光反射，实现光的单向传输。 位于LD的输出光路上；
(2)监视光电二极管（PD）：其作用是监视LD的输出功率变化，通常用 于自动功率控制。位于LD背出光面；
64 56
80o 40o 0
40o 80o
角度
垂直于结平面方向
I =80mA 72
64 60
56
40o 20o 0
20o 40o
角度
平行于结平面方向
4.2.5 半导体激光器的模式
2．纵模的概念与性质
4.2.5 半导体激光器的模式
1)纵模数随注入电流变化
当激光器仅注入直流电流时， 随注入电流的增加纵模数减少 。
半导体激光器和发光二极管
半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)
半导体光源的优点：
❖ 体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合 ❖ 发射波长适合在光纤中低损耗传输 ❖ 可以直接进行强度调制 ❖ 可靠性高
光 纤 通 信 系统
1
第2讲
一. 激光原理的基础知识
1、光的吸收和放大 1）能级和能带
2）能级的光跃迁 3）光的吸收和放大
(1) 边发射结构
这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上 面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光 。
(2) 面发射结构
这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平 腔和垂直腔结构。
光 纤 通 信 系统
29
第2讲
结构特点: 1) 发射方向垂直于或倾斜于PN结平面 2) 形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和 向上弯腔型激光器。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是 面发射激光器中最有前途的一种激光器 .
光 纤 通 信 系统
该能级被电子占据概率等于50％
该能级被电子占据概率大于50％ 该能级被电子占据概率小于50％
11
第2讲
各种半导体中电子的统计分布
本征半导体 P型半导体 N型半导体
兼并型P型半导体 兼并型N型半导体 双兼并型半导体
光 纤 通 信 系统
12
第2讲
导带
禁带
Ef
价带
(a) 本征半导体
要APC • 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频率 • 易集成，低价格，高产量
光 纤 通 信 系统
32
第2讲
2、量子阱激光器
结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄
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是一种利用半导体材料电子和空穴的复合辐射出光的设备。
其工作原理涉及多个方面，下面将逐一进行详细阐述并分点列出。
1. PN结和电子空穴复合- 半导体激光器由n型和p型半导体材料组成，它们通过PN结相接。
这种结构形成了电子和空穴之间的吸引力，使它们在结区域中聚集。
- 当外加电源施加在PN结上时，形成电势梯度，导致电子从n型区域向p型区域移动，同时空穴从p型区域向n型区域移动。
这个过程叫做电子空穴复合。
2. 跃迁过程和能带结构- 半导体材料中的能带结构对激光器的工作有重要影响。
能带分为价带和导带，中间是禁带。
- 当电子从价带跃迁到导带时，会释放出一定的能量。
该能量可以以光的形式释放出来，形成激光。
3. 反射镜和激光腔- 半导体激光器使用反射镜在两侧形成一个封闭的光学腔。
这两个反射镜使得光线在腔内反复来回传播。
- 一端的反射镜透过一部分光线，形成激光的输出口；另一端的反射镜完全反射光线，起到增强光线的作用。
这种结构使得激光得以产生和放大。
4. 注入电流和激发载流子- 通过施加电流，能够激发载流子，促进电子和空穴的复合发光。
通常情况下，半导体激光器通过注入电流来实现激发。
- 注入电流可以通过直接通电或者通过外部器件（如激光二极管）提供。
5. 能量密度和共振条件- 半导体激光器需要满足一定的能量密度和共振条件才能产生激射。
能量密度必须高于阈值，使得大量的载流子能够起到放大光的作用。
- 共振条件要求光线在腔内来回传播时，相位与波长保持一致，以增强激光输出。
6. 温度控制和光谱特性- 半导体激光器对温度非常敏感，需要进行精确的温度控制，以维持其稳定性和可靠性。
- 在不同的工作温度下，激光器的发光波长和频率会发生变化，对光谱特性有一定影响。
7. 应用领域和发展趋势- 半导体激光器在通信、医疗、材料加工、光电子学等领域有广泛应用。
- 其发展趋势包括提高功率和效率、扩展工作波长范围、实现更小尺寸化等。
简述一台激光器的主要组成部分及其作用
简述一台激光器的主要组成部分及其作用1.引言1.1 概述概述激光器是一种能够产生高能、高亮度、单色、相干的激光光束的设备。
它在科学研究、医学、工业生产以及通信等领域都有广泛的应用。
激光器的主要组成部分包括光源和激光介质，它们各自担负着不同的作用，共同实现激光的发射。
在激光器中，光源是产生激光所需的能量源。
光源可以是光电器件、气体放电管、固体或液体激光材料等，其作用是提供能量以激发激光介质中的原子或分子跃迁，从而产生激光。
光源的选择和性能直接影响着激光器的输出功率、频率特性和光束质量。
激光介质是激光器中的一个重要组成部分，它通常由激光材料制成。
激光介质中的原子或分子能够被光源中的能量激发，产生受激辐射并反转粒子的能级分布，最终导致激光的发射。
激光介质的选择和性能决定着激光器的输出光束特性，如激光波长、光束质量、相干性等。
在本篇文章中，我们将详细介绍激光器的主要组成部分以及它们的作用。
通过对光源和激光介质的深入了解，读者将能够更好地理解激光器的工作原理和应用。
同时，我们也将探讨光源和激光介质的选择与优化对激光器性能的影响，为读者在实际应用中提供一定的指导和参考。
本文的目的是为读者提供一个全面而简明的激光器基础知识概述，并帮助读者更好地理解激光器的组成和作用。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：在本文中，将详细介绍一台激光器的主要组成部分及其作用。
文章主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分将对本文的主题进行概述，并介绍文章的结构和目的。
首先，将简要说明激光器的重要性和广泛应用领域。
然后，说明本文将重点介绍激光器的主要组成部分及其作用。
正文部分是本文的主体，包括两个小节。
第一个小节将详细介绍激光器的主要组成部分，主要包括光源和激光介质。
对于光源，将介绍不同类型的光源以及它们的特点和用途。
对于激光介质，将介绍常用的激光介质材料及其特性。
第二个小节将探讨这些组成部分的作用。
具体来说，将讨论光源在激光器中起到的作用以及不同激光介质在激光发射中的作用机制。
《半导体激光器》课件
激光器的原理和结构
三层异质结构
由P型层、N型层和增益区组 成，形成电荷分布不均衡。
激发电子跃迁
通过半导体材料注入载流子， 使电子跃迁并辐射出激光。
反射和增强
利用反射镜将光不断反射， 形成受激辐射和光放大。
半导体激光器的分类
基于材料
可见光范围：GaN、InGaN、 AlGaInP
基于结构
激光二极管、垂直腔面发射激 光器（VCSEL）、边缘发射激光 器
半导体激光器将继续追求更高功率输出
新材料和结构
2
和更短波长的发展。
新型半导体材料和结构设计将推动半导
体激光器的进一步发展。
3
光电子集成
半导体激光器将与其他光电子器件集成， 进一步拓展应用领域。
总结和展望
半导体激光器的发展已经取得了显著的成就，但仍有许多待解决的挑战。我们期待看到半导体激光器在更多领 域发挥重要作用，并推动科技进步和社会发展。
1 小尺寸、易集成
半导体激光器的微小尺寸 使其在集成电路和微型设 备中具有广泛应用。
2 低功耗、高效率
相较于其他激光器，半导 体激光器具有更低的功耗 和更高的能量转换效率。
3 快速开关、调制
半导体激光器具有快速调 制和切换特性，适用于光 通信和传感器等领域。
半导体激光器的发展趋势
1
更高功率和更短波长
基于应用
光通信、激光打印、医疗、工 业加工、激光雷达等
半导体激光器的应用
光通信
作为信息传输的关键技术，广泛 应用于光纤通信和无线光通信领 域。
医疗
各种激光治疗设备，如激光手术 刀和激光美容仪，受到医疗界的 青睐。
工业加工
激光切割、激光焊接和激光打标 等应用，提高了工业加工的效率 和精度。
半导体激光器和光纤激光器的区别
一、半导体激光器工作原理半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）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。
半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：1、要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；2、有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；3、要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。
二、半导体激光器和光纤激光器一样吗半导体激光器和光纤激光器是不一样的。
1、介质材料不同光纤激光器和半导体激光器的区别就是他们发射激光的介质材料不同。
光纤激光器使用的增益介质是光纤，半导体激光器使用的增益介质是半导体材料，一般是砷化镓，铟镓申等。
2、发光机理不同半导体激光器的发光机理是粒子在导带和价带之间跃迁产生光子，因为是半导体，所以使用电激励即可，是直接的电光转换。
而光纤不能够直接实现电光转换，需要用光来泵浦增益介质（一般用激光二极管泵浦），它实现的是光光转换。
3、散热性能不同光纤激光器散热好，一般风冷即可。
半导体激光器受温度影响非常大，当功率较大时，需要水冷。
4、主要特性不同光纤激光器的主要特性是器件体积小，灵活。
激光输出谱线多，单色性好，调谐范围宽。
并且其性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗小。
转换效率高，激光阈值低。
光纤的几何形状具有很低的体积和表面积，再加上在单模状态下激光与泵浦可充分耦合。
半导体激光器易与其他半导体器件集成。
具有的特性是可直接电调制；易于与各种光电子器件实现光电子集成；体积小，重量轻；驱动功率和电流较低；效率高、工作寿命长；与半导体制造技术兼容；可大批量生产。
5、应用不同光纤激光器主要应用于激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等等。
半导体激光器件物理教学设计
半导体激光器件物理教学设计背景半导体激光器件是一种基于半导体材料的激光发生器，广泛应用于信息通讯、医疗、工业生产等领域。
近年来，我国半导体激光器件产业发展迅速，对应的技术人才需求也日益增长。
因此，培养具有半导体激光器件物理知识和实验技能，具备较强的实践能力和创新能力的高素质人才已成为当前教育领域面临的重要任务之一。
设计目标半导体激光器件物理教学设计旨在通过课堂理论教学和实验操作，让学生全面掌握半导体激光器件的原理、结构、性能以及制备技术，培养学生的综合素质和实践能力，以满足社会对应用技术人才的需求。
具体的设计目标如下：1.了解半导体激光器件的原理、结构与性能；2.掌握半导体激光器件的制备技术；3.熟悉激光器件的实验基本操作；4.通过实验，体会半导体激光器件与其他半导体器件的不同特性；5.培养学生的团队协作精神，并增强其实践能力和创新思维。
设计内容理论教学半导体激光器件的理论教学为学生提供了理论基础，在实验操作中起到指导作用。
除了传统的课堂教学外，还可以通过线上资源、教学视频、学术期刊等多种媒介形式进行教学，增加学生的学习体验。
具体内容如下：1.半导体激光器件的概述：分类、性能指标、应用领域等；2.半导体材料的基础知识：p-n 结、光吸收、载流子寿命等；3.半导体激光器件的结构：激光二极管、垂直腔面发射激光器（VCSEL）、电测发射激光器（ECSEL）、半导体固体激光器（SSL）等；4.半导体激光器件的制备技术：MOCVD 法生长及氧化法刻蚀、光刻制作、金属化和后续器件分离等；5.半导体激光器件的特性：阈值电流密度、发射光谱、波长调谐及面积效应等。
实验操作实验操作是半导体激光器件物理教学设计中的重要环节，通过实验操作让学生深入了解半导体激光器件的物理特性和工作原理，掌握器件制备和测试技术，培养学生的实践能力和团队协作精神，提高学生的创新能力和科研素质。
具体实验内容如下：1.制备半导体激光器件，并通过MOCVD 法进行相关的实验测试；2.测量激光器件的阈值电流密度、发射光谱、波长调谐、光强输出等参数；3.测量不同器件之间的性能差异，如VCSEL 和ECSEL 之间的阈值电流密度差异，SSL 和激光二极管之间的光强输出差异，等等；4.设计和组织实验课题，进行实验报告撰写和实验成果展示。
讲座之二----LD参数要点课件
10/21/2023
34
半导体激光二极管<光学参数>
SMSR 曲线说明
10/21/2023
35
半导体激光二极管<热学参数>
13. 热学参数
1.
LD热阻：RT(单位：℃ / W)
• RT 定义为加在器件单位电功率所引起的结温升
式中: Tj 结区温度; THS 热沉温度; Pi 注入电功率; IF 正向注入电流; VF 正向结压降。
半导体激光二极管<光学参数>
• θ : 光束半宽
θ ∥ : 空间光束平行于LD PN结结平面方向最大强度下降3dB时所对 应的全宽度定义为平行发散角
θ ⊥ ：空间光束垂直于LD P-N结结平面方向最大强度下降3dB时所对 应的全宽度定义为垂直发散角
用公式表示为：
从式中可知：空间光束半宽度与有源层d和有源层宽W有关，d与W赿大， θ ∥ 和θ ⊥ 就赿小
10/21/2023
21
半导体激光二极管<光学参数>
η d ：外微分量子效率
10/21/2023
22
半导体激光二极管<光学参数>
4.12 λ p / λ c / λmean/Δλ ：峰值波长/中心波长/平 均波长/光谱半宽
定义： • 在LD规定的光输出功率下，光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波
光输出功率
10/21/2023
19
半导体激光二极管<光学参数>
4.11 ηd：外微分量子效率(单位：mW/mA)
定义：阈值以上P-I曲线线性段dI/dP之比，它是衡量器件把注入的电 子-空穴对转换成向外发射光子(输出功率)的效率。
3.讲座之二 -- LD参数
P I V
式中：η受激—受激发射的内量子效率 αi—腔体内部损耗 L– 器件腔长 R—器件端面反射
2020/2/25
20
半导体激光二极管<光学>
4.11 ηd：外微分量子效率(单位：mW/mA)
ηi 为内微分量子效率; αi 为腔体损耗; L为激光器腔长; R为腔体端面反 射率; Г为光限制因子; A、B为增益系数; d为有源层厚度。
中心波长 在发射光谱中，将幅度大于峰值2%的所有光谱模式的加权平均值定义为
平均波长 在LD规定的光输出功率下，主模中心波长的最大峰值功率下降-3dB时的
最大全宽定义为光谱半宽。
2020/2/25
23
半导体激光二极管<光学参数>
注：
对于F-P LD，ITU－T－957建议的最大均方根 （RMS）定义为光谱宽度
12
半导体激光二极管<电学参数>
VBR:反向击穿电压
VBR2020/2/25源自13半导体激光二极管<电学参数>
4.6 RS微分串联电阻(单位：Ω)
I-V ΔI
P-I ΔV
I-Im
2020/2/25
14
半导体激光二极管<电学参数>
公式表达式为：
Rs V I
从式中可以看出：要想降低Rs，就必须减小ΔV 要想减小ΔV，就必须提高表面浓 度和增加表面接触面积以及提高 表面附着力
4.15 SMSR：边模抑制比(单位：dB) (仅对于DFB LD而言)
定义：是指在发射光谱中，在规定的输出光功 率和规定的调制(或CW)时最高光谱强度 与次高光谱强度之比
根据ITU-T-G957要求 SMSR≥30dB
半导体发光二极管和半导体激光器在结构上的差异
半导体发光二极管和半导体激光器在结构上的差异
半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）在结构上存在一些差异。
以下是其中一些主要的差异：
1. 结构设计：LED通常采用PN结构，而激光器则采用PN结构和衍射光栅或腔内反射镜等光学元件组成。
2. 激光器引入光学腔：LED并没有光学腔，而激光器在PN结构中引入光学腔以增强光的反射和准直，从而实现激光效应。
3. 相干辐射：激光器由于引入了光学腔，激发的光线在光学腔内进行多次正反射，形成相干辐射，从而产生准定向、单色和相干的激光输出。
而LED没有光学腔，输出的光线较为非相干，非准定向和非单色。
4. 电流注入区域：激光器的电流注入区域较小，一般在纳米或亚微米级别，而LED的电流注入区域相对较大，一般在微米级别。
5. 输出功率：激光器的输出功率较高，可以达到几十毫瓦到几瓦的级别，而LED的输出功率一般在几毫瓦以下。
总体而言，半导体激光器相对于半导体发光二极管具有更复杂的结构，引入了光学腔以实现激光效应，并且具有更高的输出功率和相干性。
而LED则更简单，输出功率相对较低且辐射为非相干性。
半导体激光器ppt课件
目录
半导体激光器简介
半导体激光器工作原理
半导体激光器的分类
半导体激光器的应用
• 半导激光器简介：
• 半导体激光器是以一 定的半导体材料做工 作物质而产生激光的 器件。.
• 半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被 成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来 经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构 造的激光二极管（Laser diode）等，广泛使用于 光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激 光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光 器。
• （7）动态单模激光器
• （9）量子阱激光器
（8）分布反馈激光器
（10）表面发射激光器
• （11）微腔激光器
半导体激光器的应用
•军事领域
•如激光制导跟踪、激光雷 达、激光引信、激光测距、 激光通信电源、激光模拟 武器、激光瞄准告警、激 光通信和激光陀螺等。目 前世界上的发达国家都非 常重视大功率半导体激光 器的研制及其在军事上的 应用。
•印刷业和医学领域
•如CD播放器，DVD系统和高密度光存储器可见光面发射激光器在光 盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用，特别是红光、绿光和蓝 光面发射激光器的应用更广泛蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激 光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清 晰度彩色电视机中。
供应平板刻绘机
The end,thank you!
半导体激光雷达 半 导 体 激 光 武 器 模 拟
半导体激光瞄准和告警
半导体激光测距
半导体激光引信
半导体激光制导跟踪
军用光纤陀螺
•光纤通信系统
半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电 路平面工艺组成光电子系统。
半导体激光器原理及应用PPT课件
2019/11/4
.
22
半导体激光器的线宽
上面曲线给出了LD线宽与1/P之间的关系、和温度对线宽的影响
2019/11/4
.
23
半导体激光器的动态特性
半导体激光器有别于其它激光器的最重要特点之一在于它有被交变信号直接调 制的能力，这在信息技术中具有重要的意义。
与工作在直流状况的半导体激光器不同，在直接高速调制情况下会出现一些有 害的效应，成为限制半导体激光器调制带宽能力的主要因素。
.
半导体激光器等效电路
29
半导体激光器的热特性
引发机制： 在半导体激光器中，由于不可避免的存在着各种非辐射复合损耗、自由载流子吸 收等损耗机制，使外微分量子效率只能达到20％~30％，意味着相当部分注入的 电功率转换为了热量，引起激光器的升温。这会导致LD的阈值电流增大、发射波 长红移、模式不稳定、增加内部缺陷，严重影响器件的寿命。 解决办法：
（b）受激辐射：受激发射出的光子频率，相位和方向都与入射光子h 相同。
（c）受激吸收：原子接收辐射能 h 从基态能级E1越入受激能级E2。 产生激光的必要条件：受激辐射占主导地位
2019/11/4
.
3
自发辐射的特点
这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频 率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。
2019/11/4
半导体激光器横模与侧模
有多侧模的半导体激光器的近场和远场
.
16
纵模谱的影响因素
2019/11/4
可见，若要选频，就要控制温度，要稳定功率输出，
也要选择恒温控制
.
17
半导体激光器的光束发散角
激光器工作原理
激光器工作原理
激光器是一种能够产生高度聚焦、强度高、单色性好的激光光束的装置。
它的工作原理基于光的放大与受激辐射。
激光器的工作过程是这样的：首先，一个能量较低、受激发光的自然光源（例如氙灯或半导体激光二极管）会通过一个光学装置来收集和聚焦，使得光线能够尽可能地集中在一个小的区域内。
然后，这束光线将进入一个光学增益介质，该介质通常由激活物质组成，如激光晶体或激光气体。
当光线通过增益介质时，该介质中的原子或分子将受到激发，处于高能级状态。
接着，当有第二束称为泵浦光的光线入射到增益介质中时，它会与处于高能级的原子或分子发生能量交换。
这种交换激发了更多的原子或分子，使它们处于高能级状态，并形成了一个所谓的激发态。
这个过程叫做光学增益。
然后，一个光反射器（例如半透明镜或光纤回转镜）被放置在增益介质的一端，而在另一端则放置了一个全反射器（例如平面反射器或棱镜），用来形成光学腔。
在光学腔中，泵浦光与增益介质中激发出来的光子进行多次的来回反射。
这样，激发态的原子或分子可以通过受激辐射的过程，将能量转移到其他的光子上去。
经过多次的来回反射，光子的数量不断增加，而且它们的相位
也会保持一致。
最终，当光子的数量和相位达到临界条件时，激光光束就会从全反射器中射出。
通过调整其中的光学元件和性质，激光器可以产生不同波长的单色光。
这些单色光可以应用于激光切割、激光打印、激光测距和激光医疗等各种领域。
激光器的工作原理凭借其高度聚焦、单色性好的特点，已经成为现代科技中的重要技术之一。
激光二极管结构
激光二极管结构激光二极管是一种半导体激光器，具有小体积、低功耗、高效率等优点，广泛应用于通信、医疗、测量等领域。
本文将从激光二极管的结构入手，详细介绍其组成部分及工作原理。
一、激光二极管的基本结构激光二极管由五个主要部分组成：n型区、p型区、活性层、端面反射镜和电极。
下面将逐个进行介绍。
1. n型区n型区是指材料中掺杂了大量电子的区域。
在激光二极管中，n型区通常由氮化镓（GaN）或磷化铟镓（InGaP）等半导体材料制成。
这些材料具有良好的导电性能和较高的载流子浓度。
2. p型区p型区是指材料中掺杂了大量空穴的区域。
在激光二极管中，p型区通常由氮化镓（GaN）或磷化铟镓（InGaP）等半导体材料制成。
这些材料具有良好的导电性能和较高的载流子浓度。
3. 活性层活性层是指激光二极管中的激光发射区域。
这里的半导体材料具有特殊的能带结构，能够在电流注入时产生激光辐射。
常用的活性层材料包括氮化镓（GaN）、磷化铟镓（InGaP）和砷化镓（GaAs）等。
4. 端面反射镜端面反射镜是指激光二极管两端的反射镜。
这些反射镜通常由多层介质膜或金属膜制成，可以将激光反射回活性层，形成正向增益。
5. 电极电极是指用于注入电流的金属接触。
在激光二极管中，通常采用p型和n型区分别制作出两个电极，使得电流可以从p型区注入到n型区，并在活性层中产生激光辐射。
二、激光二极管的工作原理当外加正向偏压时，电子从n型区向p型区移动，空穴则从p型区向n型区移动，在活性层中形成电子空穴对。
当这些电子和空穴重新结合时，会释放出能量，产生光子。
这些光子在端面反射镜的反射下，不断增强，最终形成激光束。
三、激光二极管的优点和应用1. 优点（1）小体积：激光二极管具有非常小的体积，可以方便地集成在其他设备中。
（2）低功耗：激光二极管不需要高压电源，功耗非常低。
（3）高效率：激光二极管的能量转换效率很高，可以将大部分电能转化为激光辐射。
2. 应用（1）通信：激光二极管广泛应用于通信领域，如光纤通信、卫星通信等。
- 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)。
外腔机械调谐：是将作为增益媒质的LD芯片，置 于一外腔中，改变外腔尺寸而实现波长调谐。 外腔结构有光栅、光纤或自聚焦透镜等，如下图：
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
光栅外腔可调谐半导体激光器
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
由上式可知，为了降低LD的线宽，可采取下列措施： 增大光功率（或腔内总光子数）。
减小自发发射速率。
从外部稳定载流子密度以使幅值-相位耦合最小。 第一点可通过改变腔结构、增加总体积、增加单 位体积内储能（如增加端面反射系数）或增加输出功 率来实现。
第二点可通过注入锁来实现。
4）调制谱特性 LD 在信号电流直接调制下，除了输出强度发生变 化外，其谱特性也会发生变化，如下图。 在阈值附近，输出较宽，随着电流的增大，模式选 择性增大，相邻模得到抑制。这时，总的强度不变， 但模间相对强度在改变。 这种模间分配效应在直接调制下最明显，使长距 离光纤系统中因光纤色散而在接收机内产生强度脉动， 使误码率增大。
当阶跃电流加到LD时，有源层中的电子浓度迅速 增加。在未达到阈值时没有激光输出，但经过电子延 迟时间td后电子浓度达到阈值，并马上产生激光输出。 而在光子浓度到稳态值前，电子浓度仍在增大，直到 电子浓度达到最大值，而光子浓度达到稳态值。由于 导带内超量储存电子，受激复合过程进一步增大，直 到光子浓度升到最大值，而电子浓度则降到阈值；
在模式特性上还要注意到横模的问题。
激光振荡也可能出现在垂直于腔轴的平面内，其 中TEM00为基横模，TEM10、TEM11等为高次横模。 由于TEM00 模的光斑与光纤中基模 LP01 模场光斑相 匹配，故耦合效率最高。
同时LD工作在TEM00模时相干性最好，因此在LD 的设计及结构上都应保证基横模工作。
流。当激光器偏置在阈值附近时，脉冲持续时间和脉
冲过后有源区内电子密度变化不大，电子存储的时间 大大减小，码型效应就可得到抑制。 还可以采用在每一个正脉冲后跟一个负脉冲的双 脉冲信号进行调制的方法，如上图 (c)所示：
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
正脉冲产生光脉冲，负脉冲来消除有源区内的存 储电子。但负脉冲的幅度不能过大，以免激光器 PN结 被反向击穿。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
2、模式特性与线宽 LD输出谱特性，或为多纵模或为单纵模，如下图。
LD的多模(a)及单模(b)输出谱
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
1、模式特性 从使用来说，首先考虑的是模式的稳定性，它随时间、 电流的任何变化都会给系统附加噪声。其次，对高速 光纤通信系统来说，单纵模窄谱宽的光源有利于减小 光纤色散的影响。
第三点，通过驱动电流的反馈控制来稳定载流子 密度，有效减少激光场的幅值-个位耦合。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
3、调制特性 如下图为半导体激光器的直接调制的原理 图。
光 功 率 光 功 率
输出 功率 输出 功率
电流
时间
电流
时间
信 号 电 流
信 号 电 流
时 间
时 间
(a)
(b)
激光二极管的调制原理图 (a)数字调制；(b)模拟调制
从图上可以看出，半导体激光器存在阈值电流 Ith 。当注入电流小于阈值电流时，器件发出微弱的
自发辐射光，类似于发光二极管的发光情况。当注
入电流超过阈值，器件进入受激辐射状态时，光功
率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线
性关系。 半导体激光器的P―I特性对温度很敏感，下图给 出了不同温度下P―I特性的变化情况。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
1）张驰振荡 当电流脉冲突然加到LD上时，其光输出呈现下图 所示的动态相应，这是注入电子与所产生光子简相互 作用的量子力学过程。
LD的张弛振荡特性
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光 延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡， 经过几个周期后达到平衡值。 这种特性可定性解释如下：
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
2、线宽
LD输出的有限线宽来自于两个因素：
一、是激光腔内自发发射事件引起的光场相位脉 动。
二、是载流子浓度脉动引起的折射率变化，使光 腔庇振频率产生变化。简化理论推导的光源线宽Δν可 表示为：
X 1 4P
式中，X为自发发射事件的平均速率；P为光功率； α 为线宽提高因子，表示折射率实部与虚部之比。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
6
22℃ 30℃ 40℃ 50 ℃ 60 ℃
5
功 率 / mW
4 3 2 1 0 50 1 00 注入电流 / mA 1 50
70 ℃
动 画 演 示
80℃
图4.15 半导体激光器P―I曲线随温度的变化
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
由图可见，随着温度的升高，阈值电流增大，发 光功率降低。阈值电流与温度的关系可以表示为：
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
电流 脉冲 2ns 5ns 2ns
光脉 冲 (a) (b)
码型效应
(c)
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
“ 码型效应”的特点是，在脉冲序列中较长的连 “ 0” 码后出现的“ 1” 码，其脉冲明显变小，而且连
“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。
消除码型效应最简单的方法就是增加直流偏置电
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
半导体激光二极管和激光器组件 半导体激光器基础知识
半导体激光器类型、组件及特性参数
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
第一节 半导体激光器基础知识 一、半导体激光器的工作原理
半导体激光器产生激光输出的基本条件：
粒子数反转 光反馈 阈值条件 1、粒子数反转 在热平衡条件下，二能级原子系统中上能级的粒 子要比下能级少得多，服从波尔兹曼分布。此时不 会发生受激发射。
T I th (T ) I 0 exp( ) T0
其中,T为器件的绝对温度；T0为激光器的特征 温度；I0为常数。 为解决半导体激光器温度敏感的问题，可以在 驱动电路中进行温度补偿，或是采用制冷器来保持 器件的温度稳定。 通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷 器等封装在一起，构成组件。热敏电阻用来检测器 件温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
由于光子寿命，及逸出腔外需要一定时间，使有源区 内的过量复合仍维持一段时间，电子浓度进一步下降 到阈值以下，光子浓度也开始迅速下降。当电子浓度 下降到最低点，有源层中的激射可能减弱甚至停止。 紧接着又开始新一轮导带电子填充过程。但由于电子 的存储效应，这一轮的填充时间比上次短，电子浓度 和光子浓度的过冲量也比上次小。这种衰减振荡过程 重复多次，直到输出光功率达到稳态值。 显然，如果LD预偏置在阈值附近，光脉冲上升时 间及张弛振荡的幅度都会显著降低。
另外，在结构上具有横向光波导的 LD （如隐埋导 质结LD），其张弛振荡较弱。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
2)电光延迟 半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬 态响应波形如下图所示。输出光脉冲和注入电流脉冲 之间存在一个时间延迟，称为电光延迟时间，一般为 纳秒量级。
电脉冲
光脉冲
光脉冲的电光延迟和张弛振荡
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
半导体激光器的工作特性 1、P-I特性 典型的半导体激光器如下图所示
3 .5 3 .0
功 率 / mW
2 .5 2 .0 1 .5 1 .0 0 .5 0 0 50 Ith 1 00 1 50
注入电流 / mA
图4.14 半导体激光器P―I曲线
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
可以通过在半导体激光器脉冲调制时加直流预偏
置的方法来使脉冲到来之前将有源区内的电子密度提
高到一定程度，从而使脉冲到来时，电光延迟时间大 大减小，而且张驰振荡现象可以得到一定程度的抑制。 随着直流预偏置电流的增大，电光延迟时间逐渐减小。 增加直流预偏置电流也有利于抑制张驰振荡。
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
c f 2nL
称为纵模间隔，它与谐振腔长及工作物质有关。
F-P腔的透射频谱特性如下图：
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
半功率点全宽为：
f1 / 2 f / F
F为F-P腔的精细度，可表示为：
F
R增大，F增大。
R
1 R
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
为了产生受激辐射，必须建立非平衡得分布， 即使上能级的粒子数大于下能级的粒子数，使受激 发射大于受激吸收，这种状态叫做粒子数反转。
波尔兹曼分布
粒子数反转
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
激光器的粒子数反转状态可采用电或光的泵浦。 2、光反馈和激光振荡
在有源区内，开始少数载流子的自发辐射产生 光子。一部分光子一旦产生，就穿出有源区，得不 到放大；另一部分光子可能在有源区内传播，并引 起其他电子－空穴对的受激辐射，产生更多的性能 相同的光子，得到放大。
3、激光振荡的阈值条件 在注入电流的作用下，有源区的受激辐射不断 增强，称为增益。 在F-P腔中，每次通过增益媒质时的增益尽管很 小，但经过多次振荡后，增益变得足够大。 当腔内增益超过总损耗（包括载流子吸收、缺 陷散射及端面输出）时，就产生了激光。
见下图：
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
FP-LD的增益曲线(a)腔模(b)及输出的纵模(c)
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
GaAs-LD直流光输出谱特性
第3章 半导体激光二极管和激光器组件
下图示出了1ns单个脉冲持续周期内的模式脉动现象。