第三次课(半导体激光二极管和激光器组件)案例

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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。

半导体激光器工作原理及基本结构PPT课件

• 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)
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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。
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫做受激光辐射。
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法布里-珀罗谐振腔 (形成相干光)
• 垂直于结面的两个平行的晶体解理面形成法布里-珀罗谐振腔，两个解理面是谐振腔的反射镜面。在两个端面上分别镀上高反膜和增透膜,可以提高激射效率.
2. 有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传递而逸散，提高器件的散热性能；
3. 有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性； 4. 器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。
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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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自发光辐射和受激光辐射
• 自发光辐射（发光二极管）
当给器件加正向偏压时，n区向p区注入电子，p区向n区注入空穴，在激活区电子和空穴自发地复合形成电子-空穴对，将多余的能量以光子的形式释放出来，所发射的光子相位和方向各不相同，这种辐射叫做自发辐射。
• 受激光辐射（半导体激光器）
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弱折射率波导条形激光器（脊形波导）
特点：在侧向对光波的有一定限制作用，在条形有源区上方腐蚀出一个脊（宽度大约 3~4um)，腐蚀深度大概1.5~2um, 腐蚀一部分上限制层。由于腐蚀深度较深，在侧向形成一定的折射率台阶，对侧向光波有较弱的限制作用。

半导体激光二极管工作原理

半导体激光二极管工作原理[日期：2006-05-21] 来源：作者：[字体：大中小]1、半导体激光二极管的工作原理为了了解激光型光电开关的工作原理，首先对半导体激光二极管的工作原理及其特点作一简单的介绍。

半导体激光二极管的基本结构如图1所示，垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里——珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。

其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。

半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。

当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：λ = hc/Eg (1)式中：h—普朗克常数；c—光速；Eg—半导体的禁带宽度。

上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。

当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。

如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。

当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。

当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是激光二极管的简单原理。

2.激光二极管的结构随着技术和工艺的发展，目前实际使用的半导体激光二极管具有复杂的多层结构。

图2为日本三洋公司的红光半导体激光二极管的结构。

图3为小功率激光管剖视图，由图可见，激光芯片贴在用来散热的热沉上，在管座上靠近激光芯片下部封有PIN光电二极管。

图4为普通激光二极管的外形，由图可见，小功率激光管有三条引脚，这是因为在管内还封装有一个光电二极管，用于监控激光管工作电流。

光纤通信技术-第三章-光源与光发射系统-电子教案 (3)

9.什么是电光延迟？为何会产生电光延迟？
10.什么是张弛振荡？简述张弛振荡产生的原因。
11.什么是码型效应？如何消除码型效应。
12.什么是自脉动现象？自脉动现象有哪些特点？
13.光源的间接调制方法有哪些？
14.光纤通信系统对光发射机的基本要求有哪些？
15.光发射机为什么要进行自动温度控制？
16.光纤通信系统对光源器件的基本要求有哪些？
17.简述激光器的结发热效应。
18.何谓激光器的偏置电流？应如何选择偏置电流？
120.构成激光器必须具备的条件有哪些？
21.在光纤通信系统中，光源为什么要加正向电压？
22.简述半导体激光器的特性。
23.简述F-P腔半导体激光器的结构。
24.光发射机主要有哪些部分组成？简述各部分的作用。
4、课后作业：6。
3.4新型半导体激光器
重点介绍分布式反馈激光器的结构特点，引出在此特点基础上的发光原理，并指明它所具有的独特优点；简要介绍耦合腔半导体激光器与量子阱激光器的结构与特点。
3.5光源的调制
重点介绍光源的直接数字调制以及可能产生的效应：电光延迟、张弛振荡、自脉动、码型效应等。简要介绍光源的三种间接调制方式，包括：声光调制、热光调制和磁光调制。
3.6光发射机
首先介绍通信系统对光发射机的基本要求；重点介绍光发射机的组成与功能，包括：输入电路、光源和控制电路。
1：计划学时：2学时
2：讲授要求：
注意区分新型激光器与F-P腔激光器在结构和性能上的不同，使学生能够对前后学习的知识有一个连贯性的认识；详细介绍光发射机的三个组成部分，使学生清楚各部分的主要功能。
课程
光纤通信技术
章节
第三章
学期
2013/2014学年第一学期

半导体激光器和发光二极管

半导体光源：
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》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。

半导体激光器PPT学习教案

受激辐射和受激吸收的区别与联系受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即 E2-E1=hυ
式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数， υ为吸收或辐射的光子频率。
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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，
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a)
(b)
(c)
图 3.2
(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
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能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
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
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：受激吸收（本征吸收）自发辐射受激辐射
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初态
E2
E1
E2
hυ=E2-E1
终态
E1
(a) 自发辐射光子的特点：非相干光
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初态
E2
hυ
E1
E2
终态
E1
(b) 受激辐射光子的特点：相干光

《半导体激光治疗》课件

1980年代
出现了异质结半导体激光器，提高了器件的效率和可靠性。
1990年代至今
随着材料和工艺的不断改进，半导体激光器在性能和可靠性方面得到显著提升，应用领域
不断扩大。
半导体激光技术的特点
高效率
半导体激光器的效率较高，一般可达到30%以上，使得它在许多领域中具有竞争优势。
波长可调谐
通过改变半导体激光器的温度或注入电流等参数，可以实现波长的调谐，满足不同应用需求。
激光治疗的基本原理是利用激光的生物刺激作用，调整机体组织的功能，促进病变组织的修复和
再生。
半导体激光治疗的理论基础
半导体激光器具有波长可调、输出功率高、体积小、寿命长等优点。
半导体激光的波长与组织吸收峰相匹配，可被组织充分吸收并转化为热能，对病变组织产生热效应。
半导体激光治疗的理论基础是利用激光的热效应，对病变组织进行照射，从而达到治疗目的。
口腔溃疡治疗
激光照射能够促进口腔黏膜的再生和修复，加速口腔溃疡的愈合。
牙齿美白
通过激光照射，能够减少牙齿表面的色素沉积，使牙齿变得更加洁白亮丽。
眼科疾病的治疗
眼底病变治疗
青光眼治疗
半导体激光能够通过光凝等手段，治疗糖尿病视网膜病变、视网膜静脉阻塞等眼底病变，防止视力进一步恶化。
激光虹膜成形术和激光小梁成形术等半导体激光手术可以开放房角、解除瞳孔阻滞和降低眼压等作用，治疗青光眼等眼疾。
半导体激光治疗新技术的应用
总结词
随着技术的不断发展，半导体激光治疗新技术不断涌现，为患者提供了更加安全、有效的治疗方案。
详细描述
目前，半导体激光治疗新技术包括光动力疗法、光热疗法和光化学疗法等。这些新技术在肿瘤治疗、皮肤疾病、眼科疾病等领域展现出巨大的潜力，为患者带来了更好的治疗效果。

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
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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
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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。
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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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纵模谱的影响因素
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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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半导体激光器的光束发散角

12半导体二极管(3)30页PPT

12半导体二极管(3)
模拟电子技术基础
四、半导体二极管的应用举例
（一）在整流电路中的应用
整流：将交流电变成直流电的过程。整流电路：完成整流功能的电路。
常见的整流电路有
半波整流电路全波整流电路桥式整流电路
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模拟电子技术基础
a
TR
+
+
u_1
u2
_
b
桥式整流是电否路所有的二极管都能用在整流电路上呢？为什么？
二极管是导通还是截止，该电路能否正常工作？求出A、B两点之
间的电压ＵAB值。
ＶD1
A
+
R 2KW UAB
V2
10V _
B
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模拟电子技术基础
例2、二极管限幅电路：当输入信号电压在一定范围内变化时, 输出电压随输入电压相应变化；而当输入电压超出该范围时,
输出电压保持不变, 这就是限幅电路。通常将输出电压uo开始
并联下限幅电路
ui
O
t
O
t
E
uo E
uo
O
t
O
t
E
二极管并联上限幅电路波形上关页系下页
后退
模拟电子技术基础
＋ ui －
R 双向限幅电路
VD1 ＋－ E1
＋
VD2
－
uo
＋E2 －
ui
O
t
E
uo
O
t
上页下页后退
模拟电子技术基础
五、特殊二极管
（一）稳压二极管１、稳压管的伏安特性和符号
上页下页后退
100
80
uD

半导体二极管激光器光学教材

第 !" 卷! 第 # 期&’()!*+ ,’)$$%%! 年 $ 月!"#"$%&’(-./) $%%!不产生粒子数反转5$!26" 在我们的情况下!脉冲间的振动能级激发有效地支持自持放电"因此!在自持放电上叠加纳秒电短脉冲是提高横向自持放电 34# 激光器抽运效率有前途的方法!而无需改变它的结构" 这可以提高激光效率!并在使用高含量氮的无氦混合气体中用简单电极7非分段电图 ! 不同成份的 "#$%&$%’( 混合气体的复合放电抽运时的效率的相对增量与纳秒极8工作时没有放电收缩" 在这种源功率 !)* 与自持放电功率 ! 比值的关系情况下 ! 改善了激光器的工作特效率增大! 增量达到 001" 由图 # 生电离 ! 在非自持放电中不会发性 #增大了电流调节范围 $ 简化了和图 2 可以看出!在脉冲电离情况生" 如果复合非自持放电中电脉冲放电点燃!并在大电流时提高了放下!使用氮含量大的混合气体是有重复率较低 !在某时间间隔内电子电的稳定性和均匀性" 利的" 在自持放电中!脉冲间也发密度会降低到这种程度 !以致 34$参考文献" !"#$%&’ ( )+ *&#+,"- . /+ )012$3 / .) 456!!"9:$++!,;**< $ *"3"70#&- 6 8+ 9$:02&- . )+ ;&<=32$3 . > "# $%&& ;-03:&-0? @#"2=7&3>20+ *9:#+ -;*0!92 60+:&- . A+ B012&- . C) ;-03:&-0? @#"2=7&3>20+ *9<<+ .;#!#<! C-03D"32& 8 C+ ;701"3$33$2&- . .+ )&3&:07"- 8 A) @#"2=7&:"%3>20+!*9:<+ 7**8;2< 0 .0<$#?2 E F+ ;&<GHD"32& / .+ ;+I7?-J"- 6 6 "# $%&& 456’!*99!++/.;#?2? K7""- . .+ >-+7"D"3<2$L / .+ )012$3 / .) ()(! *9<9+ +,0#0% !白光编译")*+,-.!"/"&提要 @’/.AB ,) CD((!"9"9 年诞生在美国康涅狄格州的纽黑文 !从加州理工学院毕业后进入通用电器研究发展中心工作""9?$ 年!CD(( 在半导体结中实现了粒子数反转!创建了第一台半导体结激光器" 这种器件!根据特殊设计的 EFG 结!用电流将电子直接注入结中运行!因此允许从紧凑的发射源以高效率产生相干光" 当今!以 CD(( 原始思想工作的二极管激光器!广泛地应用于如 3H $H&H 显示器$激光打印机和光纤通讯系统等领域"关键词半导体二极管激光器 EFG 结应用 + 引言本文将描述二极管激光器发射光束的基本特性 !讨论分析和调整这种光束的方法" 用一对柱面透镜将光束准直和成形是一种简单灵活的方法!不仅可以用于二极管激光器!而且也可用于光纤发射的光束" $ 二极管激光器特性半导体二极管激光器结构如图 " 所示!它由增益层7仅几十个纳向侧面变弱 " 在增益导向激光器米厚8和包围它的导向层组成!导向中!这种增益渐变对侧向光束限定层起限定激光模式作用" 导向层折是很重要的" 为比较起见!在折射射率略大于周围区域7基质和盖板8 率导向激光器中!将导波带相邻区折射率!通过内全反射限定激光模域选择性地刻蚀掉!然后以低折射式" 通过几个微米宽的金属条状正率覆盖材料代替" 一般地说!增益电极注入电流!由结对面的基板7接层有高吸收的区域!不直接在电极地电极8收集 " 在正电极底下的粒底下 !因此经受的抽运弱 ! 或完全子数反转和增益最强!沿 * 轴随着无抽运" 除了杂质和界面上的散射距电极中心线距离增加!增益逐渐损失外! 导向层基本是透明的!基收稿日期0 $%%2F"%F!"+1第 !" 卷! 第 # 期&’()!*+ ,’)$$%%! 年 $ 月!"#"$%&’(-./) $%%!束性质是它的偏振态!典型的是线偏振!其电场平行于结平面* 这个性质反映这样的事实!对于平行于结的偏振光7即 #!8!其增益多少要比垂直偏振光7下文的 #"8高 * 与#"相关的导向模在 $ 方向要比与 #!相关的模略为加宽* 因为加宽模比紧凑模与增益介质层交叠得少!所以当紧凑模超过阈值并开始产图 " 为限定激光模 !用导向层包围激活层组成半导体二极管激光器 " 通过正电极注入生激光时!加宽模还未达到* 而且!电流!由在结对面的接地电极收集电流限制电子和空穴在薄激活层 7量子质和覆盖层也是高透明的"步在水平方向加宽 7比无像散时8! 阱8!对 #!7相对于 #"8更易使激发图 $ 表示在单横模二极管激相位分布显示峰?谷变化@*2%!"电子和空穴释放出光子并返回基光器 0! %123%456 前方的强度和相在激光器向前方发射的光束!态*实际上 # 偏振超过 # !是两种位分布图 " 在结平面光束发散角呈椭圆截面是合理的 7由于衍射8! 效应组合的结果*7半高全宽8是 "!19! ! 与结垂直方对于 "远小于 " 的情况" 在激光! 二极管激光像散的起源向是 ""1:;!" 在图 $ 上方一行的图激活区内产生像散是由于非均匀 0<#$%/8中!显示光束没有像散 !在增益剖面7沿 " 轴8的原故" 由于靠沿 " 轴增益剖面的非均匀性! 激光器前方的相位分布均匀" 在中近腔的光轴增益最高!光辐射在腔对波导模具有聚焦作用!迫使沿腔间一行的图0=&$%>8!像散距离7定中沿 ! 轴传输时!光束向光腔轴产 ! 轴传输的光束自动形成发散的相义在自由空间中水平束腰和垂直生(增益聚焦)效应!结果是沿腔轴位波前* 用光束传输方向7DEF6B#C 束腰之间的等价距离 8 是 #! 1 比两侧有更强的放大B*C * 因而!对应研究通过增益介质的光束传输很 *%!5!沿 " 轴轻微展宽光束 !相位光束向中心塌陷的趋势!发散相位容易证明这一点* 图 :7<6表示典型波前发散!其峰?谷变化7即束的边剖面自动形成* 关于这个性质!下二极管激光横截面的增益和损耗缘到中心8是@*$%!’ 在底行图7.&$ 面会详述*分布* 在增益层中间部分的增益最 %A8!像散距离 #!1$;!5" 光束进一另一个感兴趣的二极管激光高 !沿 " 轴以高斯型下降 ! 在远离中心轴 ! 的区域变为损耗区* 在沿腔 ! 轴传输期间!光束截面的相位剖面类似于图 :7/6所示* 其中高折射率导向层使相位相对于低折射率基质和盖板超前* 具有较高折射率的增益介质7红色6使相位更超前于导向层7橙色6!但增益层薄!对于限制模沿 $ 轴的贡献显然很小* 同时!图 :7<&+%/6表示的截面强度分布和相位分布确定了以光束传输方法模拟二极管激光使用的振幅?相位掩模剖面" 这种特殊掩模以图 # $%&’$() 二极管激光器! !%*!+ "%!,!!在前方的强度-左.和相位-右.的对数平#!1%)*! 的间隔放置在折射率 %%1 :): 的介质中" 波长 ! 在这个环境中面图" 在极大和极小之间强度变化范围是 ! 1!%"$3" 在图-/&$%4.中!光束没有是 ! %G%%! 其中 ! % 是激光束的自由空像散 " 在图-5&$%6.中 !在水平的和垂直的束腰之间像散距离-在自由空间. "%7$ )!沿 0 轴有较宽的光束!和发散的相位花样!从中心到边缘位相变化是间波长"对于入射到掩模上的均匀7#$!"在图-8&$%9.图中!像散距离"%#, )!光束进一步加宽!并且相位分布表光束!其透射强度和相位分布分别明峰:谷变化;7&$! 如图:7<&$%/6所示"假设增益介质7<第 !" 卷! 第 # 期&’()!*+ ,’)$$%%! 年 $ 月!"#"$%&’(-./) $%%!图 ! 以光束传输方法 "#$%& 模拟二极管激光束所用的两个振幅’相位掩模的剖面 " "(&$%)&表示掩模 * 的振幅和相位剖面 *"(&+%+&相应于掩模 , 的振幅和相位剖面" 增益介质是在两个 -./ 厚波导层之间的 -.,/ 厚的夹层式膜层" "(&均匀入射光束的透射强度分布 " 在中心的振幅增益是 *.-,/!沿 ! 轴逐渐变到 -.0/"损耗& 值" 在激活层外!-.00/ 振幅透过率表示有弱背景损耗" ")& 掩模 * 的相位1.*,!"在激活层内&!在波导层中是 /.2!3在基质和盖板中是 -!" "+&掩模 ,4振幅剖面与"(&相同5的相位 !在激活层中心是 2./!!在远离轴的激活层内是 1.*,!*在导向层中是 /.2!!在基质和盖板中是 -!像散" 然后给出用图 67>&$%;5所示的振幅?相位掩模 $ 得到的模拟结果!揭示折射率’反向导向(的增益介质7由粒子数反转引起5可能进一步增加感应像散)图 ! 上方一行的图表示用掩模 " 在光束传输方法 8%% 步后的7>5强度!7/5强度的对数和7;5相位图形" 每步对应在折射率 #%96)6 的介质内传输 %)"! 的距离!在本模拟中总传输距离是@"A!B" 看到的限制在导向层中的光!仅以微小的分数值泄漏7即逐渐消失5到基底和盖板中" 逸出导向层的光最终以散射或衍射损失到系统外 " 在图 !7;5是在构成导向板的两个 %)0! 1厚低折射率层之间 %)#0! 厚的夹层式膜层 " 在激活层中心的振幅增益是*)#02每传输 %)*! "" 以高斯型沿 !轴逐渐变小!同时在 " 方向保持均匀"激活层外的介质背景损耗很小 2掩模振幅透射率 %)3304! 但是在增益层内和远离中心轴区域! 光振幅以%)30 因子衰减2每传输 %)*! 5" 在图 67/5 中! 掩模的相位在激活层内是8)*$!+在两相邻导向层是 0)!!!而在基底和盖板区是 %!" 这意味着!例如! 如果基底和盖板材料的折射率是 #%96)6! 则导向层的折射率 #*9 6)!0!激活层介质的折射率 #$96)!:"实际上! 抽运增益介质使其局部折射率下降! 所以比较实际的相位掩模应类似于图 62;5所示的!其在激活区中心的相位下降到 !)0!2相应于 ##96)!#05" 相位从这个极小值起沿 ! 轴以高斯型增加! 在激活层的高吸收区达到 8)*#!" 这导致沿 !轴反向导向 2由于在激活层内折射率不均匀5" 在激活层内的高斯相位剖面迫使激光束沿 ! 轴发散! 超过仅由增益剖面产生的发散<6!!=" 其余的掩模与图 62/5中的情况一样" 下面首先给出用图 62>#$ %/5 所示的振幅?相位掩模 " 用传输方法的模拟结果!确认仅由增益剖面引起的中 ! 沿 ! 轴的峰 ? 谷相位变化为*8%!!相应于几个微米的像散发散光束" 图 ! 下方一行的图与上方一行的类似!不同的是用掩模 $ 得到的" 与增益介质无折射率反向导向情况下比! 光束沿 ! 轴略有加宽" 图 ! 7C5 中峰?谷相位变化是 *:0! 7沿 ! 轴5+对应着比图 !7;5情况有更大像散的发散束"图 !7D5 表示在上述模拟中得到的光束功率与传输距离 $ 的关系 " 开始光功率下降!因为初始光束对波导结构进行自身调整!挡掉了与波导模剖面不匹配的光" 然后增益介质起作用 ! 光功率指数上图 2 在 1-- 步光束传输方法后的"(&强度!")&强度的对数!"+&相位图形" 在这些模拟中所用振幅’相位掩模 * 如图 !"(&$%)&所示" 看到的限制在导向层中的光!以弱的逐渐消失的尾部泄漏到基质和盖板中" 在"+&中!沿 6 轴峰’谷相位变化为 *1-!" 下面一行 4"7&8%9&5与上面一行4"(&8%+&5类似!不同的是用掩模 , 得到的!掩模 , 如图 !"(&$%+&所描述"在图"9&中!峰’谷相位沿 ! 轴变化是*:/!"图";&表示在光束传输方法模拟中!光束功率与传输距离的关系*:第 !" 卷! 第 # 期&’()!*+ ,’)$$%%! 年 $ 月!"#"$%&’(-./) $%%!图 " 用无像差透镜捕获和准直从二极管激光器发出的单横模光束 !然后用剪切干涉仪分析" 光束截面中任何相位改变都在剪切干涉图上以条纹形式表现升 !因为限定模沿光轴传输"! 剪切干涉仪用无像差透镜捕获和准直单横模二极管激光束 !然后用剪切干涉仪分析!如图 0 所示 " 剪切板产生两个全同的准直光束的复制束!沿 ! 轴或 " 轴彼此有相移" 同一光束的两个复制束在观察平面上叠加产生干涉图 !显示准直光束的相位结构" 在准直镜出射光瞳上的任何相位不均匀性都在干涉图上以强度变化1即条纹2表现"对 ! %345%67 二极管激光器发射的 8!"90!光束!图 :;左面<给出在位于 %):#$ 准直透镜出射光瞳后面*%77 平面上的强度 1上图< 和相位" 该透镜位于距激光束两光腰之间的中点 %3!)477 处!显示的相位花样分别对应于像散 "&3*%!7!$%!7!9%!7" 对固定剪切量 "!3图 # 左图 $位于图 " 的准直镜出射光瞳%)8771水平方向<和 ""3$)%771垂外 $%&& 平面处的强度’上图 (和直方向<!图 : 右方给出在剪切板观相位 " %)#!" 的透镜位于激光束’ %*+,%-&. !*/!. "*0"!1两光腰察窗观测到的强度花样#从上到下! 之间中点有一个焦距’#*!)+&&1" 激光器的像散分别为 "&3%!*%!7!右图 $ 在剪切板 ’ $*%)/&&. %*$%!7 和 9%!7"2)%&&1观察窗上的强度花样 " 从" 用柱面透镜准直光束上到下 ! 激光器的像散分别为% &!$% &!2% & 和 0% &图 / 用一对柱面透镜准直二极管激光束"第一个透镜将光束沿快轴准直 !而第二个透镜将光束沿慢轴展开*)04=*>%)%!!00;’?’%<$@的梯度折射率材料制成 " 透镜的净孔径 "! 30)%77!""3")$77" 激光器前表面与该透镜第一表面之间的距离是%)9!577" 用折射率 (3"):0 均匀玻璃制成的平面>柱面第二个透镜与第一透镜相距 %)94877" 其厚度;沿光轴方向<是 9)$77!长 077!曲率半径 977!净孔径 ")077" 透镜表面皆涂消反射膜"图 5 表示在图 8 平面>柱面透镜后 %)977 处的观察平面上计算的强度和相位图形" 透镜对捕获的光功率约 5%A!在观察平面上的均方根波前像差为B%)"4! " 同样的透镜对 1轻微调整两镜间的距离<!在目前激光束像散情况!可用于准直而不引起波前质量任何退化"在光束准直前通过沿光束的慢轴传播!则柱透镜对能够调节束截面的椭圆度" 当然!第二透镜需要的物理参量与希望的准直束的短轴和长轴比有关 !但是 ! 原则上任何椭圆度都能达到" 这样!柱面透镜对不仅能将二极管激光器的发散光束准直!而且还能使光束截面整形1特别是成圆形<"用柱面透镜准直二极管激光束!如图 8 所示" 其中第一个透镜负责沿快发散轴准直光束! 第二个透镜负责沿慢轴扩束" 当发散角度大时! 具有梯度折射率的柱面透镜提供更好的准直能力! 以及对剩余像差的更好修正"# 渐变放大和光束压缩考虑一具体的例子" 波长 ! %3图 4 表示经渐变棱镜沿 ! 轴扩 45%67!#!38!!#"390!+像散 "&3% 的展光束后! 用无像差透镜使二极管单横模光束" 第一个透镜是半径 ’%3激光束准直" 这种准直的渐变放大 *)077!长 077 柱形棒!它由 (1’<3光束接着用无像差透镜聚焦! 其效$,第 !" 卷! 第 # 期&’()!*+ ,’)$$%%! 年 $ 月!"#"$%&’(-./) $%%!果与最初对准直光束进行聚焦一样" 由于激光束发散角在平行和垂直于结面有很大不同 0即 !!"!#1! 沿 ! 轴的准直光束直径一般比沿 " 轴的小很多" 沿 ! 轴扩展光束!直至充满聚焦透镜的入射光瞳! 则能得到本质上比在激光器前表面出现的亮斑还小的光斑"图 *% 表示在图 2 系统几个截图 !从图 " 所示的透镜对射出的激光束# $%&!’()* !%"!* #%+,!!像散 !%’-的强面上的强度和相位计算图" 激光参度#.-和相位/01图形" 对本模拟中选择的特殊透镜!光功率透射率2!’3!均方根量取 " % 324%56!!!37! !!#389! ! 像波前像差 ’45& !孔径截面上的峰6谷相位差为27!’!散 ##3%" 准直镜和聚焦透镜数值孔径 $%3%):! &3!)266!棱镜对的放大因子 ’39)9;沿 ! 轴<足够使光束截面圆形化" 图 *% 的顶行表示在激光器前面的光束!第二行表示进入棱镜之前光束的椭圆截面!其纵横比=9)9" 从棱镜对出射的光束呈圆形0见第三行<"最后一行表示聚焦平面上的聚焦斑点# 把激光器前表图 &二极管激光束准直后 !用棱镜对整形 !沿 8 轴将光束扩束 " 接着用与准直所用相面亮椭圆斑点压缩而成的像有圆对同的无像差透镜将准直$渐变放大的光束聚焦称性!沿 ! 轴显著减小了直径"图 ** 与图 *% 情况相似!但将二极管激光器沿 ! 轴位置移动到!3>$%!6" 光束的准直和渐变放大工作如前述 !但是从准直镜出射的光束与 # 轴倾斜约 $8!" 棱镜对沿! 轴将光束放大=9)9 倍!同时也将光束的倾斜减小相同倍数" 净结果是把激光器前表面的亮椭圆斑点像 !除了尺寸被压缩之外 ! 还使它更靠近光轴;!3?8):!6<" 这是一个很重要的结果" 例如!可用于非相干激光束的压缩" 典型的高功率多横模二极管激光可能有如上述 ;即7!"89!<相同的发散角 !但是 !在前表面上的亮斑很大 ! 比如 ! =" "9%!6$" 这样!激光的辐射剖面可认图 5’ 在图 & 系统几个截面上的强度/左1图 55 与图 5’ 情况相同 ! 但所用二极管为是由大量互相不相干的光丝构和相位/右1的对数值分布 " 透镜的数值孔激光器沿 8 轴向左位移 7’ )!将成!每个都类似于二极管激光器的径 "#%’49! $%:4&" 棱镜由 %%54"7 玻璃制 /<-与/>-相比较 !看到通过棱镜对相干光束;即单横模<" 因此!如果非成!其顶角为 9&!" /.%$&0-是在激光器前表之后 ! 准直光束的倾角有显著减相干激光中心的光丝与图 "% 描述面 !/;%$&<-在准直镜出射光瞳的 ! 刚好进小" 激光束的像!除被圆形化之外!入棱镜对之前!/=%$&>-从第二个棱镜进入 !更靠近在 &%’ 的光轴 ! 如图 /?%$的相干光束全同 ! 则图 "" 就代表/?%$&@-聚焦透镜的焦平面&@-所示边缘的光丝" 用图 2 的系统能这样5&。

物理半导体教案一等奖设计2篇

4、物理半导体教案一等奖设计知识目标1、了解什么是激光和激光的特性．2、了解激光的应用．能力目标培养自主学习能力情感目标通过组织学生从不同的媒体中学习有关激光的.知识同时，让学生了解我国的科学事业，培养学生的爱国热情．教学建议本节内容可以作为阅读材料，指导学生自学，教师采取多种方式安排教学活动，以提高学生的学习兴趣，比如：组织学生观看有关激光的科技电影片，发动学生收集相关材料，组织阅读、参观等均可．以锻炼学生的自主学习能力．让学生通过学习了解以下两点：1、激光与自然光的区别激光与自然光比较，具有以下几个重要特点：（1）普通光源发出的是混合光，激光的频率单一．因此激光相干性非常好，颜色特别纯，（2）激光束的平行度和方向性非常好．（3）激光的强度特别大，亮度很高．2、激光的重要应用激光的应用非常多，发展前景非常广阔，目前的重要应用有：光纤通信、精确测距、目标跟踪、激光光盘、激光致热切割、激光核聚变等等．教学设计示例关于本节内容，可以作为阅读材料，指导学生自学，在自学的时候，可以让学生思考如下几个问题：1、究竟什么是激光呢？2、激光是如何产生的？3、激光都有那些特性和用途呢？通过有关视频资料加深学生对激光的了解（可以参考媒体资料），物理教案－激光，物理教案《物理教案－激光》。

探究活动查阅有关激光的资料（激光器的种类，应用等）物理教案－激光5、物理半导体教案一等奖设计【学习目标】1.理解什么是内能2. 知道内能与温度之间的关系3. 掌握改变内能的两种方式并能用来解决简单的问题。

【学习重点】：内能以及改变内能的方法。

【学习难点】：做功和热传递在改变物体内能上是等效的。

【预习检测】1. 叫做物体的内能;内能的单位：。

2.同一物体，温度升高，内能。

3.铁水和冰块的温度虽然不同，但他们都具有。

4.改变内能的途径是：和。

5.冬天搓手会让手暖和，是通过改变的内能;冬天嘴对手哈气取暖是通过改变内能的。

6.在高空飞行的子弹具有_______能、_______能，同时还具有_______能，子弹落地后，这三种能不为零的是____20xx九年级物理教案人教版___能.7.物体内大量分子做无规则运动的激烈程度跟_______有关，当物体的温度升高时，它的内能_______;温度降低时，内能_______8.当物体对外做功时，它的内能_______，温度_______;当外界对物体做功时，物体的内能_______，温度_______.给自行车打气，筒壁会发热，这是压缩筒内的空气_______，使空气的_______增加，温度升高的缘故.【共同探究】★学生活动一：阅读课文7页内能，回答下列问题：1) 运动的物体具有_______，分子不停地做无规则运动，所以分子也具有动能;2) 发生弹性形变的物体，由于有作用力具有______，分子间也有相互作用的引力和斥力，所以分子间也有______，物体________________________________________叫做内能。