第3章 半导体激光器材料.ppt
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半导体激光器ppt课件
Ⅱ、与同质结激光器相比，异质结激光器具有以下优点： 1）阈值电流低，同时阈值电流随温度的变化小； 2）由于界面处的折射率差异，光子被限制在作用区内； 3）能实现室温下的连续振荡。
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%。
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%。
半导体激光器原理ppt课件
5. 半导体异质结
6. 半导体激光器的材料选择
可编辑ppt
3
能带理论:晶体中原子能级分裂
• 晶体中的电子作共有化 运动，所以电子不再属 于某一个原子，而是属 于整个晶体共有
• 晶体中原子间相互作用， 导致能级分裂，由于原 子数目巨大，所以分裂 的能级非常密集，认为 是准连续的，即形成能 带
• 电子总是先填充低能级， 0K时，价带中填满了电 子，而导带中没有电子
可编辑ppt
7
能带中电子和空穴的分布
P型半导体中的电子和空穴在能级中的分布（热平衡状态）
可编辑ppt
8
量子跃迁
• 光的自发发射 （是半导体发光的基
础）
• 光的受激吸收 （是半导体探测器工
作的基础）
可编辑ppt
9
量子跃迁
• 光的受激发射：光子激励导带中的电子与价带中的空穴复合，产生 一个所有特征（频率、相位、偏振）完全相同的光子。它是半导体 激光器的工作原理基础。
效率降低，这些都会使阈值电流密度增加
可编辑ppt
33
工作特性
2.特征温度To（表征激光器的温度稳定性）：
测试：To = Δ T / ΔLn（Ith） 影响To的因素：限制层与有源层的带隙差Δ Eg 对InGaAsP长波长激光器，To随温度升高而减小
ΔEg
可编辑ppt
34
工作特性
3.外微分量子效率ηd （斜率效率）：
可编辑ppt
24
远场特性
• θ⊥随有源区厚度及折射 率差的减小而减小。
• θ∥ 随有源区宽度的减小 而增大。
• 减小有源区的宽度，可 以使远场更趋向于圆形 光斑。
• 减小有源区宽度可以使 高阶模截止。
6. 半导体激光器的材料选择
可编辑ppt
3
能带理论:晶体中原子能级分裂
• 晶体中的电子作共有化 运动，所以电子不再属 于某一个原子，而是属 于整个晶体共有
• 晶体中原子间相互作用， 导致能级分裂，由于原 子数目巨大，所以分裂 的能级非常密集，认为 是准连续的，即形成能 带
• 电子总是先填充低能级， 0K时，价带中填满了电 子，而导带中没有电子
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7
能带中电子和空穴的分布
P型半导体中的电子和空穴在能级中的分布（热平衡状态）
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8
量子跃迁
• 光的自发发射 （是半导体发光的基
础）
• 光的受激吸收 （是半导体探测器工
作的基础）
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9
量子跃迁
• 光的受激发射：光子激励导带中的电子与价带中的空穴复合，产生 一个所有特征（频率、相位、偏振）完全相同的光子。它是半导体 激光器的工作原理基础。
效率降低，这些都会使阈值电流密度增加
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33
工作特性
2.特征温度To（表征激光器的温度稳定性）：
测试：To = Δ T / ΔLn（Ith） 影响To的因素：限制层与有源层的带隙差Δ Eg 对InGaAsP长波长激光器，To随温度升高而减小
ΔEg
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34
工作特性
3.外微分量子效率ηd （斜率效率）：
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远场特性
• θ⊥随有源区厚度及折射 率差的减小而减小。
• θ∥ 随有源区宽度的减小 而增大。
• 减小有源区的宽度，可 以使远场更趋向于圆形 光斑。
• 减小有源区宽度可以使 高阶模截止。
最新第三次课(半导体激光二极管和激光器组件)课件PPT
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。
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。
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，、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
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
mW
3 .0
率/
2 .5
2 .0
功
1 .5
1 .0
0 .5
0
0
50
Ith 100
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
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。
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：
X41P
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
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。
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。
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。
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，、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
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
mW
3 .0
率/
2 .5
2 .0
功
1 .5
1 .0
0 .5
0
0
50
Ith 100
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
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。
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：
X41P
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
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。
半导体激光器讲解PPT课件
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
14针双列直插式封装：
2019/11/7
36
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
蝶式封装：
2019/11/7
37
光纤通信基础
可编辑
§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
无集总式反射机构（F-P），由有源区波导上的 Bragg光栅提供反射功能，
2019/11/7
32
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
同轴激光器的封装：
2019/11/7
33
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
插拔式同轴封装：
2019/11/7
34
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
尾纤式同轴封装：
2019/11/7
35
Eg=h
2019/11/7
4
光纤通信基础
可编辑
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
本征半导体（I型）：杂质、缺陷极少的纯净、 完整的半导体。
电子半导体（N型）：通过掺杂使电子数目大 大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te）
空穴半导体（P型）：通过掺杂使空穴数目大 大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn）
原理：Bragg光栅周期，发射波长满足 2=m/n (m=0,1,2,……)
干涉增强方向 2sin=m/n
特点：单纵模特性好（边模抑制比可达35dB以上） 窄线宽，波长选择性好； 温度特性好，波长温度飘移为0.09nm/℃, 调制特性好，
2019/11/7
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。
半导体激光器讲解ppt课件
正反馈（驻波）；
fq 谐振频率， q 谐振波长， q 纵模
f q
c
q
q
c 2nL
12
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
频带加宽：增益介质的增益-频率特性；
13
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
横模TEMmn ：激光振荡垂直于腔轴方向，平面波 偏离轴向传播时产生的横向电磁场模式。
受激辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，向下 进入亚稳态，外来光子会激励电子向下跃迁到基 态E1，受激辐射一个光子（位相相同）。
9
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
粒子数反转（光放大的必要条件）：仅当激发态 的电子数大于基态中的电子数时，受激辐射超过 吸收，要利用“泵浦（激励）”方法。
有源区：实现粒子数反转，对光具有放大作用的 区域。
Eg=h
4
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
本征半导体（I型）：杂质、缺陷极少的纯净、 完整的半导体。
电子半导体（N型）：通过掺杂使电子数目大 大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te）
空穴半导体（P型）：通过掺杂使空穴数目大 大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn）
在纯净的Ⅲ-Ⅴ族化合物中掺杂Ⅵ族元素（N 型），或掺杂Ⅱ族元素（P型）
掺杂：eVDEg为轻掺杂， eVDEg为重掺杂。
在平衡状态下，P区和N区有统一的Ef。
正电压向V→漂移运动→抵消一部分势垒（V-VD） →破坏平衡→ P区和N区的Ef分离（准费米能级）。
7
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
(Ef)N以下的能级，电子占据的可能性大于1/2， (Ef)P以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2。
第3章 半导体激光器材料PPT课件
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
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
处理前
处理后Leabharlann 激光光纤通讯受激辐射光子
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：Nexp E/(kT )
能
E4
N2 N1
exp({E2
E1)/kT}
量 E3
粒子数反转状态
E2
E2
为E1了有效地产生激光，要改变E这1 种分布，形成粒子数反
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。
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
处理前
处理后Leabharlann 激光光纤通讯受激辐射光子
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：Nexp E/(kT )
能
E4
N2 N1
exp({E2
E1)/kT}
量 E3
粒子数反转状态
E2
E2
为E1了有效地产生激光，要改变E这1 种分布，形成粒子数反
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。
半导体激光器原理及应用PPT课件
2019/11/4
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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
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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。
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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
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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
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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
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17
半导体激光器的光束发散角
第3章 PN结与半导体激光器 I 2013.9.27
26
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
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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
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。
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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。
半导体激光器工作原理 ppt课件
远红外长波长： InP衬底
InGaAsP/InP 1.3um 1.48um 1.55um
半导体激光器工作原理
8
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
半导体激光器工作原理
9
半导体激光器材料生长
• 采用MOCVD方法制备外延层，外延层包括缓冲层、限制层、有源 层、顶层、帽层。有源层包括上下波导层和量子阱。
我们的808大功率激光器属于这种结构：把p+重掺杂层 光刻成条形，限制电流从条形部分流入。但是在有源 区的侧向仍是相同的材料，折射率是一样的，对光场 的侧向渗透没有限制作用，造成远场双峰或多峰、光 斑不均匀，同时阈值高、光谱宽、多纵摸工作，有时 会出现扭折问题。
半导体激光器工作原理
折射率波导条形激光器（掩埋条形）
特点：不仅对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧 向扩散有限制作用，而且对光波侧向渗透也有限制作 用。
InP衬底的1310nm 、1480nm激光器属于这种结构， 需要三次外延生长。此结构的优点：条形有源区的侧 向对载流子和光场都有限制，辐射光丝稳定，能够单 膜工作，远场单峰、光斑均匀，光谱窄、阈值低、可 靠性高。
半导体激光器工作原理
7
半导体激光器的分类（材料和波长）
可见光：
GaAs衬底
InGaN/ GaAs 480~490nm 蓝绿光
InGaAlP/GaAs 630~680nm
AlGaAs/GaAs 720~760nm
近红外长波长： GaAs衬底 AlGaAs/GaAs 760~900nm InGaAs/GaAs 980nm
半导体激光器工作原理
11
条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激 光器(普通条形)和折射率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。
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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：
S
E
r S
光源
I E
太阳
= S /r2
tS I 2103Wcm2sr 1
1mW He--Ne激光器 大功率激光器
I 88103Wcm2sr 1 I 109 1017Wcm2sr 1
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
N2 N1
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
等 于E2-E1的外来能量时，
吸收这一能量跃迁到高能级的
E1 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。
自发辐射的光是非相干光
E3
E2 E1
h E2 E1
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
第3章 半导体激光器材料
3.1 激光技术简介
激 光 ： Laser(light amplification by stimulated emission of radiation), 辐射的受激发射光放大。
主要内容： 1）激光的产生；
2）激光的特点； 引言：
自从美国人梅曼制造出第一台激光 器以后，到今天人们对激光并不陌生，如激光开 刀，可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还 有激光照相、激光美容等….。激光在军事上也有 广泛的应用。
exp{(E2
E1) / kT}
量 E3
粒子数反转状态
E2
E2
为E1了有效地产生激光，要改变E这1 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；
E2
2）原子在激发态多“呆” 一会；
3）减小损失，不断放
E1
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
半反 射镜
工作原理：
激光工作物质
全
半
反
反
射
射
镜
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
2.激励能源：
能实现粒子数反转 谐振腔
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
1、固体激光器：器件小、坚固、使用方便、输出功率大
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）
能 量激
发
E3
亚稳态能级
E2 E1
产生激光的能级系统（例） （1）三能级系统 （2）四能级系统
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 如氟化氘激光器等。
--
4）共振转移
如He--Ne激光器 。 He
Ne He
-
-
- 电子 -
Ne
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
激光工作物质 原理图
五.激光的特性及应用
（一）、激光的主要特性
r 1、方向性好---激光的发散角小。 l
r =2~5mrad（毫弧度）
l (1km时光斑直径10m)
激光器
Laser
10-5mrad
D=1.6km
2 、亮度高、能量集中
P=1mW的氦-氖激光器的亮度约是太阳光的44倍
3）单色性好 激光所包含的波长或频率范围极小
一束可普使通一的切红金光属熔化 频率范围：
E3 E2
h E2 E1
E1
三能级系统
红宝石激光器
E4 E3 h E3 E2 E2
E1
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”）。
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。
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 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
立体角定义：
S
E
r S
光源
I E
太阳
= S /r2
tS I 2103Wcm2sr 1
1mW He--Ne激光器 大功率激光器
I 88103Wcm2sr 1 I 109 1017Wcm2sr 1
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
N2 N1
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
等 于E2-E1的外来能量时，
吸收这一能量跃迁到高能级的
E1 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。
自发辐射的光是非相干光
E3
E2 E1
h E2 E1
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
第3章 半导体激光器材料
3.1 激光技术简介
激 光 ： Laser(light amplification by stimulated emission of radiation), 辐射的受激发射光放大。
主要内容： 1）激光的产生；
2）激光的特点； 引言：
自从美国人梅曼制造出第一台激光 器以后，到今天人们对激光并不陌生，如激光开 刀，可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还 有激光照相、激光美容等….。激光在军事上也有 广泛的应用。
exp{(E2
E1) / kT}
量 E3
粒子数反转状态
E2
E2
为E1了有效地产生激光，要改变E这1 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；
E2
2）原子在激发态多“呆” 一会；
3）减小损失，不断放
E1
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
半反 射镜
工作原理：
激光工作物质
全
半
反
反
射
射
镜
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
2.激励能源：
能实现粒子数反转 谐振腔
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
1、固体激光器：器件小、坚固、使用方便、输出功率大
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）
能 量激
发
E3
亚稳态能级
E2 E1
产生激光的能级系统（例） （1）三能级系统 （2）四能级系统
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 如氟化氘激光器等。
--
4）共振转移
如He--Ne激光器 。 He
Ne He
-
-
- 电子 -
Ne
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
激光工作物质 原理图
五.激光的特性及应用
（一）、激光的主要特性
r 1、方向性好---激光的发散角小。 l
r =2~5mrad（毫弧度）
l (1km时光斑直径10m)
激光器
Laser
10-5mrad
D=1.6km
2 、亮度高、能量集中
P=1mW的氦-氖激光器的亮度约是太阳光的44倍
3）单色性好 激光所包含的波长或频率范围极小
一束可普使通一的切红金光属熔化 频率范围：
E3 E2
h E2 E1
E1
三能级系统
红宝石激光器
E4 E3 h E3 E2 E2
E1
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”）。
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。
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 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