外延腔半导体激光器
半导体激光器的研究进展
半导体激光器的研究进展摘要：本文主要述写了半导体激光器的发展历史和发展现状。
以及对单晶光纤激光器进行了重点描述，因其在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，近年来成为新型固体激光源研究的热点。
一、引言。
激光是20 世纪以来继原子能、电子计算机、半导体之后人类的又一重大发明。
半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大的规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。
半导体激光历经五十余年发展，作为一个世界前沿的研究方向，伴随着国际科技进步突飞猛进的发展，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。
半导体激光的进步在国际范围内受到了高度的关注和重视，不仅在基础科学领域不断研究深化，科学技术水平不断提升，而且在应用领域上不断拓展和创新，应用技术和装备层出不穷，应用水平同样取得较大幅度的提升，在世界各国的国民经济发展中，特别是信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用。
本文对半导体激光器的发展历史和现状进行了综述，同时因单晶光纤激光器在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，本文也将对其做重点描述。
二、大功率半导体激光器的发展历程。
1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs同质结构注入型半导体激光器。
由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要5 × 104～1 ×105 A /cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。
从此开始，半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。
1963 年，美国的Kroemer和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。
随着异质结材料的生长工艺，如气相外延( VPE) 、液相外延( LPE) 等的发展，1967年，IMB 公司的Woodall 成功地利用LPE 在GaAs上生长了AlGaAs。
新型半导体腔面发光激光器
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一
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新 型 半 导 体 腔 面 发 光 激 光 器
谢 强 张
Ｖ Ｓ Ｌ 半 导 体 腔 面 发 光 激 光 器 是 光 通 信 ＣＥ 一 中的 一 种 深 具 潜 力 的 固体 激 光 源 ，被 称 为新 千 年 最 重 要 的光 通 信 器 件 。
简 单在
原 理 上 可 望 实 现 高 性 能 化 。 同 时 也 容 易 实 现 二 维 阵 列 化 和 低 价 格 化 ，是 今 后 很 有 发 展 前 景 的 新 型
光 电器 件 。
在 信 息 处 理 中重 要 的 有 ０ ８ ． ８—０ ７ １ 波 长 的 ． ８ｚ ． ｍ Ｇａ ／ ａ １ ｓ系 列 。 外 ， 有 ０ ６ Ａｓ Ｇ Ａ Ａ 此 还 ． ７—０ ６ ｍ 波 ．３
的 前 景 。 下 面 是 面发 光激 光 器 所 具 有 的特 点 。
的 面 发 光 激 光 器 来 说 明 其 结 构 。 Ａ 活 性 层 被 两 Ｇａ ｓ 个 反 射 率 ９ ％ 以上 的 ｎ型 和 Ｐ型 Ｇ Ａｓ Ａ Ａ ９ ａ ／ １ ｓ半
导 体 反 射 镜 层 挟 在 中间 ， 成 二 极 管结 构 ， 上 下 开 在
两 面形 成 电 极 。外 加 在 电 极 上 的 电 流 ，流 过 活性
层 后 发 光 ， 种 光 由两 面反 射 镜 反 复地 反 射 后 ， 这 达
到 激 光 器 振 荡 。这 种 外 延 生 和层 的 设 计 和技 术 是
成 熟 的技 术 。 因此 ，应该 研 究 的课 题 是 如 何 得 到 电流 狭 窄结 构 ，也 就 是 如 何 在 活 性 层 窄 小 的 范 围 内 ， 效 地 注入 电 流 。 高
《高功率980nm半导体激光器外延结构设计及其性能研究》范文
《高功率980 nm半导体激光器外延结构设计及其性能研究》篇一一、引言随着科技的进步，高功率半导体激光器在科研、工业、医疗等领域的应用越来越广泛。
其中，980 nm波段的半导体激光器因其独特的光学特性和应用价值，受到了广泛的关注。
本文将重点研究高功率980 nm半导体激光器的外延结构设计及其性能，以期为相关领域的研究和应用提供理论支持。
二、外延结构设计1. 材料选择外延结构的设计首先需要选择合适的外延材料。
考虑到高功率、高效率及稳定性等要求，我们选择了一种高电子迁移率和高热导率的材料作为基底，以保证激光器的稳定运行。
此外，还通过选择适当的掺杂元素来提高内量子效率和减少电流散溢。
2. 结构分层设计针对高功率输出和良好光束质量的需求，我们将外延结构分为多层结构。
主要包括以下部分：基底层、反射镜层、多量子阱（MQW）结构层、欧姆接触层等。
其中，多量子阱结构层是关键部分，其设计直接影响到激光器的性能。
3. 特殊结构设计为了进一步提高激光器的性能，我们设计了一些特殊结构。
例如，采用渐变折射率层以减少光在传输过程中的损耗；在多量子阱结构中引入应力层以提高内量子效率；以及在欧姆接触层中优化电极设计以提高电流注入效率等。
三、性能研究1. 实验方法我们通过分子束外延技术（MBE）和金属有机气相沉积（MOCVD）等工艺进行外延生长，并利用光刻、干湿法刻蚀等工艺制备出激光器芯片。
然后通过测试其阈值电流、斜率效率、光束质量等参数来评估其性能。
2. 实验结果及分析实验结果显示，高功率980 nm半导体激光器具有良好的光束质量和低阈值电流等特点。
与传统的半导体激光器相比，其在光功率、效率和寿命等方面都有显著的优势。
同时，我们也观察到通过引入特殊结构的设计，激光器的性能得到了进一步的提升。
例如，渐变折射率层的设计显著降低了光在传输过程中的损耗；而优化电极设计则提高了电流注入效率，从而提高了激光器的输出功率。
四、结论本文研究了高功率980 nm半导体激光器的外延结构设计及其性能。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理什么是半导体激光器？半导体激光器是一种基于半导体材料制造的光电器件，主要用于产生具有高度单色性和高功率的光源。
与传统光源不同，激光器可以将光线紧密地聚焦在一个小点上，并且光线的功率可以调节，是广泛应用于激光打印、医疗、通讯、显示和材料加工等领域的关键元件。
半导体激光器的结构半导体激光器通常是由多个不同材料层构成的复杂结构。
最简单的激光器结构是单个p-n结，它由p型半导体和n型半导体构成，并夹带一个锗或硅的半导体。
由于半导体的局部结构对于电子和空穴的行为非常重要，因此需要精确的设计和制造技术。
实际上，当然有更多更复杂的激光器结构，例如含量量子阱（SQW）和多量子阱（MQW）。
半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理是利用电流注入击穿p-n结来实现放电并产生激光。
当n型材料中的电子和p型材料中的空穴进一步注入p-n接口时，它们将受到电子空穴复合的影响，将能量释放出来并辐射出光。
如果这个过程能够得到持续的电流注入，将产生一种光放大现象，并最终形成一个相干的激光束。
在创建激光束之前，必须确保电流仅穿过p-n结。
这种方法可以通过对p-n结进行定向（并保留损失的最小值）来实现。
因此，在激光器中，材料需要以完全纯洁的形式生长，并且都要定向，以确保无法通过的电流在整个器件中流动。
激光器器件中的外部结构也非常重要，铝或其他金属金属层可以被添加到引出电流的区域中，以确保电荷可以从外部注入。
半导体激光器的运作模式半导体激光器的运作模式通常由三种不同的模式组成：连续波（cw）模式，脉冲（pulse）模式和调制（modulated）模式。
在连续波模式中，激光器连续的产生激光，在这种模式中，我们将需要确保激光器的温度保持恒定，并且激光器所需的电流也要保持不变。
脉冲模式意味着激光器会以一种断断续续的方式工作，以打出一个高峰值功率，这种模式常用于激光打印，或者需要进行快速激光加工的应用。
最后，调制模式允许更快的切换速率，常用于在光纤通信中实现高速数据传输。
新型半导体激光器——VCSEL详解
新型半导体激光器——VCSEL详解VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser)，即垂直腔面发射激光器，是集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身，相比于LED 和边发射激光器EEL，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。
随着VCSEL 芯片技术的成熟，以其作为核心元件的3D Sensing 走入应用，在活体检测，虹膜识别， AR/VR 技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域得到发展。
近期，3D Sensing 的主要应用以手机为主，iPhone X 首次搭载3D 结构光模组，引领3D Sensing 消费市场。
目前，全球3D Sensing 供应链趋于完善，VCSEL 设计厂商Lumentum、II-VI 、Finisar、AMS，VCSEL 外延片供应商IQE、全新光电以及台湾晶圆代工厂稳懋、晶电等均纷纷布局3D Sensing 领域。
据预测，未来几年3D Sensing 市场规模将呈几何式增长，到2020 年3D Sensing 市场规模可达到108.49 亿美元2023 年3D 传感的市场空间达到180 亿美元，2018 年-2023 年复合增速达到44%。
其中，3D Sensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高，3D Sensing 渗透率有望从2017 年的2.1%提高至2020 年的28.6%。
一、VCSEL 基本结构与工作原理VCSEL 器件有两种基本结构，一种是顶发射结构：采用MOCVD 技术在n 型GaAs 衬底上生长而成，以DBR 作为激光腔镜，量子阱有源区夹在n-DBR 和p-DBR 之间。
由于量子阱厚度小，单程增益小，因此反射镜的反射率较高，一般全返腔镜反射率>99.9%，输出腔镜反射率通过理论计算设定最佳的耦合输出率（一般也大于99%），然后在衬底和p-DBR 外表面制作金属接触层。
半导体激光器生产工艺
半导体激光器生产工艺
半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光放大的器件。
这种器件广泛应用于通讯、医疗、制造等领域。
在生产半导体激光器时，通常要经过以下几个步骤：
1. 材料生长
半导体激光器的材料通常使用InP或GaAs等半导体材料。
在生产过程中，首先要对这些材料进行生长。
生长方法包括气相外延和分子束外延等。
2. 制备芯片
半导体激光器的核心是激光波导芯片。
一般来说，制备激光波导芯片需要进行光刻、蚀刻等工艺，在材料表面形成特定的结构和薄层。
这些结构和薄层的尺寸和位置都会影响激光器的性能。
3. 设计和制造器件
生产半导体激光器的过程中需要设计和制造器件。
这些器件包括激光二极管、反射镜、光栅等部分。
这些部分都需要高精度加工才能保证器件的稳定性和性能。
4. 装配
制造好各个器件之后，需要进行装配。
装配包括将芯片、反射镜等部分进行精确的对准和组装。
5. 测试和性能检测
生产出的半导体激光器需要进行测试和性能检测。
这些测试包括波长测试、输出功率测试、频率响应测试等。
只有通过严格的测试和性能检测，才能保证半导体激光器拥有稳定的性能和可靠的质量。
在半导体激光器的生产过程中，每一个步骤都需要经过精密的设计、制造和检测，才能保证最终产品的质量。
随着新材料、新工艺的不断研发，半导体激光器的生产技术也在不断提高，为各行各业带来更多的创新和应用。
半导体激光器原理及应用
激光器的单纵模工作条件
第q阶模与主模功率之比为：
Pq
1
P0 1 (Po / Pqsat )
要想得到近乎单纵模输出，必须使Pq/P0尽可能小。
从图中可以看出短腔长和高腔面反射率，都有利于使 激光器单模工作。
以（P1/P0）≦0.05作为激光器单模工作的判据，由边 模抑制比
1）增益系数 2）载流子的俄歇复合，载流子的界面态和表面态的复合，载流子的吸收引起的
内部损耗 3）热载流子的泄露
半导体激光器的效率
描述激光器电子--光子转换的效率，即电能转换为光能的效率。
分别用功率效率和外微分量子效率描述。
1）功率效率
p
激光器所发射的光功率 激光器所消耗的电功率
Pex IV I 2rs
/ )2
式中，n2和d分别为激光器有缘层的折射率和厚度； n1为限制层的折射率；λ为激射波长
理想的高斯场分布
半导体激光器的光束发散角
显然，当d很小时，可忽略上式分 母中的第二项，有
4.05(n22 n12 )d
可见，ө随d的增加而增加
半导体激光器发散角与有缘层厚度的关系
解决办法：利用自聚焦透镜对出射光进行准直
归一化输出与调制频率的关系
半导体激光器的动态特性
张弛振荡与类谐振现象物理机制不同，但几乎有和共振频率相同的振荡频率， 为了抑制这两类现象，已实践过这两类方法：
1）外部光注入，能有效增加自发发射因子，不但能抑制张弛振荡，还能抑制 多纵模的出现。
2）自反馈注入或采用外部电路。自注入方法是将LD输出的一部分以张弛振荡 周期的0.2~0.3倍的时延再注入到它本身的腔内，能有效抑制张弛振荡。采用 外部LCR滤波电路来分流高频分量，进而抑制类谐振现象。
半导体激光器生产工序
半导体激光器生产工序
半导体激光器的生产工序主要包括以下几个步骤：
1. 半导体材料生长：通过分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）等方法，在半导体晶片上生长出激光所需的半导体材料。
2. 肖特基结构制备：通过工艺步骤，包括光刻、蚀刻等，将半导体材料制作成肖特基结构，形成p-n结。
3. 超晶格、波导结构制备：通过掺杂、蚀刻等工艺，制作超晶格结构和波导结构，以实现激光的增益和光导。
4. 花键制备：通过光刻、蚀刻等工艺，制作花键结构，用于连接激光芯片和外界光纤。
5. 芯片封装：将激光芯片封装到金属、塑料或其他材料的封装盒中，以保护激光器并提供电气连接。
6. 测试：对生产的激光器进行严格的测试，包括光谱测试、功率测试、温度特性测试等，以确保激光器的质量和性能符合要求。
7. 器件配对和组装：将具有相同性能的激光器芯片进行配对，并进行组装，以提高输出功率和可靠性。
8. 制造中的质量控制：在整个制造过程中，实施质量控制措施，包括检查和测试材料、工序和最终产品，以确保制造出高质量的激光器。
光电器件基础 第三章 半导体激光器讲解
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。
Littrow结构光栅外腔半导体激光器
（3）对于级光，光程差：
L d sin0 d sin0 0
即：0 k 0
也就是说，在零级这个方向上任意波长的 光都可以出射——各波长的零级谱线是重合的。
然而由于只有发生一级闪耀的光被谐振放大， 所以从零级方向出射的光，该波长的占主导， 为激光。 闪耀光栅相当于一个半透半反镜，一级“反”， 零级“透”。
一、半导体激光器的组成及其激光产生原理
二、激光二极管产生激光的特点 三、外腔结构 四、机械设计 五、电流控制—恒流源 六、温度控制
一、半导体激光器的组成及其激光产生原理 1、组成
增益介质：半导体材料，主要有GaAs、InP、 CdS、ZnS等
泵浦源：电注入、电子束激励和光泵浦三种 主要激励方式
谐振腔：半导体晶体中垂直于PN结平面的两 个解理面（也可以是经过抛光的平面）作为反射 镜构成谐振腔
四、机械结构
五、电流控制—恒流源
由于半导体激光器具有二极管的特性，对于驱动 电源来说是一个非线性负载。
而发光功率随着驱动电流的增大而增大。 为了保证电源供电的安全、可靠、稳定以及低电 压大电流，需要一个恒定电流源。
恒定电流源的电路原理图
六、温度控制
1、温度对半导体激光器稳定度的影响 （1）阈值电流随温度升高而明显增大； （2）温度上升造成激光峰值波长向长波方向漂移； （3）激光管寿命随温度的升高呈指数规律下降； （4）温度变化引起外腔光程长度的改变，导致激光 器工作模式的不稳定。
2、PID温度控制电路
（1）原理：
温度信号
探测器
与预先设置的电
电信号
差值信号
信号做比较
信号处理
驱动制冷器
《高功率980nm半导体激光器外延结构设计及其性能研究》范文
《高功率980 nm半导体激光器外延结构设计及其性能研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展，高功率半导体激光器在科研、工业和日常生活等领域中得到了广泛应用。
980 nm波长的半导体激光器在光通信、激光打印、医疗及科研等方面具有重要意义。
外延结构作为半导体激光器的核心部分，其设计直接关系到激光器的性能。
因此，本篇论文将重点研究高功率980 nm半导体激光器的外延结构设计及其性能。
二、外延结构设计1. 材料选择高功率980 nm半导体激光器的外延结构主要采用InGaAsP 材料系统。
该材料系统具有优秀的电光性能和热稳定性，适合于高功率激光器的制备。
2. 结构层设计外延结构主要由以下部分组成：底层的n型层、中间的光波导层以及顶层的p型层。
在n型层和p型层之间，通过量子阱技术实现光子的产生和放大。
此外，为了满足高功率输出的需求，还需设计合理的热沉结构，以降低激光器在工作过程中的热效应。
3. 生长技术外延结构的生长主要采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术。
该技术具有生长速度快、结构质量高、操作灵活等优点，可实现精确控制材料成分和厚度，从而达到设计目标。
三、性能研究1. 光学性能经过实验验证，设计的高功率980 nm半导体激光器外延结构具有优异的光学性能。
其发射波长稳定在980 nm左右，具有较高的光功率输出和较低的阈值电流。
此外，该结构还具有较高的光束质量和较低的发散角。
2. 电学性能在电学性能方面，该外延结构表现出良好的电流传输特性。
其电阻率适中，使得激光器在工作过程中能够保持稳定的电流输出。
此外，其较低的串联电阻有助于提高激光器的能量转换效率。
3. 热学性能针对高功率激光器在工作过程中产生的热量问题，该外延结构通过优化热沉设计，有效降低了热效应对激光器性能的影响。
实验结果表明，该结构具有良好的热稳定性和较低的热阻抗，有利于提高激光器的长期稳定性和可靠性。
四、结论本论文研究了高功率980 nm半导体激光器的外延结构设计及其性能。
vcsel激光器工作原理
vcsel激光器工作原理VCSEL（可变外延结构激光器）是一种新型的激光器，与氦氖激光器相比，它具有更小的尺寸、较高的功率、较低的功耗以及更低的成本。
据估计，它可能会在未来几年里不断改善，从而成为众多工业界、医疗界和科学界的最爱。
VCSEL的名字源于它的ATMEMC（可变外延结构激光器）结构，该结构采用激光量子点（LQD）来实现激光发射。
VCSEL是一种半导体激光器，它由金属（通常是铜或铱）与半导体（如硅）构成。
它以金属极（堆叠层）和金属电极（用于加在堆叠层）为基础，并以六角形和八角形激光量子点（LQD）为中心。
金属极将电流封装到LQD中，而LQD又分布在堆叠层中，使得堆叠层下的金属电极与堆叠层上的金属极和LQD（半导体）之间形成了一个非常紧凑的结构。
LQD被电流释放出来时，它会发出低功率的可见光和近红外光，这就是VC激光器的发射原理。
这种激光器的输出功率可以有效地控制，使用者可以根据自己的需要调节功率以获得最大的精度或最低的功耗。
由于激光器内部可变外延结构（ATMEMC），它可以产生大功率、固定频率（小偏差）、宽带发射波形，因此VC激光器常用于激光打印、激光雕刻、激光焊接以及激光投影等应用。
此外，VC激光器还可以用于光学传感器应用，比如非接触式光速测量仪。
它利用激光器明确每个光学路径上的物体位置，从而改变光学路径的时间。
VC激光器的小尺寸和低功耗对这种应用尤为重要。
最后，VC激光器还可以用于光纤通信设备。
这种激光器可以用来收发光信号，从而实现高速数据传输。
VC激光器可以很容易地把数据信号转换为光信号，并使用多模光纤将信号传输到远程地点。
这可以大大降低传输数据的成本，同时节省电力和实现高速传输。
总之，VC激光器因具有小尺寸、较高功率、较低功耗和更低的成本而受到越来越多的关注，并可能在工业、医疗和科学等各个领域取得发展。
VC激光器的原理是通过电流释放LQD以及改变ATMEMC结构，使得它可以产生高功率、固定频率、宽带发射波形，因此VC激光器常用于激光打印、激光雕刻、激光焊接以及激光投影等应用中。
半导体激光器
决定因素
蓝光DVD半导体激光器半导体光电器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。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。材料科学的发展使我 们能采用能带工程对半导体材料的能带进行各种精巧的裁剪，使之能满足我们的各种需要并为我们做更多的事情， 也能使半导体光电器件的工作波长突破材料禁带宽度的限制扩展到更宽的范围。
工作原理
根据固体的能带理论，半导体材料中电子的能级形成能带。高能量的为导带，低能量的为价带，两带被禁带 分开。引入半导体的非平衡电子-空穴对复合时，把释放的能量以发光形式辐射出去，这就是载流子的复合发光。
一般所用的半导体材料有两大类，直接带隙材料和间接带隙材料，其中直接带隙半导体材料如GaAs（砷化镓） 比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率，发光效率也高得多。
进入21世纪后，半导体激光器的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙半导体激光器光效已达 到100Im/W，绿半导体激光器为50lm/W，单只半导体激光器的光通量也达到数十Im。半导体激光器芯片和封装不 再沿龚传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量，晶格 缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强半导体激光器内部产生光子出射的几率， 提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方 向。
损耗关系
激光器的腔体可以有谐振腔和外腔之分。在谐振腔里，激光器的损耗有很多种类，比如偏折损耗，法布里珀 罗谐振腔就有较大偏折损耗，而共焦腔的偏折损耗较小，适合于小功率连续输出激光，还比如反转粒子的无辐射 跃迁损耗（这类损耗可以归为白噪声）等等之类的，都是腔长长损耗大。激光器阈值电流不过就是能让激光器起 振的电流，谐振腔长短的不同可以使得阈值电流有所不同，半导体激光器中，像边发射激光器腔长较长，阈值电 流相对较大，而垂直腔面发射激光器腔长极短，阈值电流就非常低了。这些都不是一两句话可以说的清楚的，它 们各自的速率方程也都不同，不是一两个式子能解释的。另外谐振腔长度不同也可以达到选模的作用，即输出激 光的频率不同。
半导体激光器
半导体激光器摘要：由于三五族化合物工艺的发展与半导体激光器的多种优点，近几十年来，半导体激光器发展十分迅速，而且在各个领域发挥着越来越重要的作用。
本文将介绍半导体激光器的基本理论原理、相关发展历程、研究现状以及其广泛的应用。
关键词：半导体激光器；研究现状；应用1.引言自1962 年世界上第一台半导体激光器发明问世以来, 半导体激光器发生了巨大的变化, 极大地推动了其他科学技术的发展, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一[1], 近十几年来, 半导体激光器的发展更为迅速, 已成为世界上发展最快的一门激光技术[2]。
激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺[3]。
由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。
2.半导体激光器的基本理论原理半导体激光器又称激光二极管(LD)。
它的实现并不是只是一个研究工作者的或小组的功劳，事实上，半导体激光器的基本理论也是一大批科研人员共同智慧的结晶。
早在1953年，美国的冯·纽曼（John Von Neumann）在一篇未发表的手稿中第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性；认为可以通过向PN结中注入少数载流子来实现受激发射；计算了在两个布里渊区之间的跃迁速率。
巴丁在总结了这个理论后认为，通过各种方法扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高。
这应该说是激光器的最早概念。
苏联的巴索夫等对半导体激光器做出了杰出贡献，他在1958年提出了在半导体中实现粒子数反转的理论研究，并在1961年提出将载流子注入半导体PN结中实现“注入激光器”，并论证了在高度简并的PN结中实现粒子数反转的可能性，而且认为有源区周围高密度的多数载流子造成有源区边界两边的折射率有一差值，因而产生光波导效应。
半导体激光器介绍
半导体激光器介绍什么是半导体激光器？半导体激光器又称半导体激光二极管（LD），是指以半导体材料作为工作物质的一类激光器。
激光产生的过程比较特殊，常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
按激励方式分类则分为三种：电注入、电子束激励和光泵浦。
按照结构分类，半导体激光器件又可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
半导体激光器工作的三大要素为：增益大于等于损耗、谐振腔和受激光辐射。
半导体激光器具有体积小、寿命长、便于集成、光电转换效率高等优点，在激光通信、激光显示、激光打孔、激光切割、激光焊接、激光指示、激光打印、激光打标、激光测距、激光医疗等方面具有非常广泛的应用。
半导体激光器的结构最简单的半导体激光器由薄的有源层、P型、N型限制层构成。
有源层处在P型和N型之间，产生的PN异质结通过欧姆接触正向偏置，电流在覆盖整个激光器芯片的较大面积注入。
以GaAs激光器为例，散热及点接触部分对材料的选择有一定的要求，陶瓷电路板陶瓷基金属化基板拥有良好的热学和电学性能，是功率型LED封装、激光、紫外的极佳材料，特别适用于多芯片封装(MCM)和基板直接键合芯片(COB)等的封装结构；同时也可以作为其他大功率电力半导体模块的散热电路基板，大电流开关、继电器、通信行业的天线、滤波器、太阳能逆变器等。
目前，GaAs激光器基本采用的是陶瓷电路板，而陶瓷电路板中又以氧化铝、氮化铝陶瓷电路板最为常用。
半导体激光器封装工艺流程半导体激光器封装工艺流程大致分为如下几个过程：清洗、蒸镀，共晶贴片，烧结，金丝，球焊，焊引线，目检，老化前测试，老化，老化后测试，封帽，包装入库。
1.清洗的作用主要包括对热沉、管座、陶瓷片及芯片盒的清洗，包括一些仪器的日常清洗，如：全玻璃钢通风柜、超纯水机、烘箱、超声波清洗机等。
2.蒸镀主要用于热沉蒸镀焊料，陶瓷片蒸镀金属电极。
软焊料要求焊接应力小，主要指热膨胀系数与芯片差别较大的热沉材料；硬焊料要求有较大的焊接应力，良好的抗疲劳性和导热性，主要指适用于热膨胀系数与芯片差别较小的热沉材料。
dfb激光器外延结构及其制备方法与流程
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dfb激光器是一种特殊的半导体激光器，其外延结构对激光器性能有着重要的影响。
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。
半导体激光器用外延片[实用新型专利]
![半导体激光器用外延片[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/6f4941eccc1755270622089a.png)
专利名称：半导体激光器用外延片
专利类型：实用新型专利
发明人：马淑芳,田海军,吴小强,梁建,董海亮申请号：CN201520710645.4
申请日：20150914
公开号：CN204927806U
公开日：
20151230
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种半导体激光器用外延片。
在n-GaAs衬底上由下至上外延生长n-GaAs缓冲层，n-AlGaAs渐变层，n-AlGaAs下限制层，AlGaAs下波导层，有源层，AlGaAs上波导层，p-AlGaAs上限制层，p-AlGaAs渐变层,p-GaAs顶层。
其制备方法是：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法在n-GaAs衬底上至下而上依次外延生长各层。
本实用新型可以减少电子散失，提高有源区内电子与空穴的辐射复合效率。
可以生长出高质量的晶体，能提供更深的载流子阱和更大的增益；应变补偿量子阱具有带阶大，波长漂移速度更低和透明载流子浓度更低等优势。
申请人：山西飞虹微纳米光电科技有限公司
地址：041600 山西省临汾市洪洞县甘亭镇燕壁村飞虹科技
国籍：CN
代理机构：北京方圆嘉禾知识产权代理有限公司
代理人：董芙蓉
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展望
光学传递腔结构图 （1）调试 Loop Filter 和 PZT 驱动器，EOM驱动电路 （2）光学传递腔的设计和加工 （3）把光学传递腔锁定到780nm绝对频率源上
完
谢谢！
芯片端面反射（R1） 应该比外部反馈 （Rext）小20 dB
通过在芯片的一个断面镀增透膜，抑制半导体芯片内的法布里-珀罗腔产生 的本征光学反馈，从而使它不会干扰外部反馈。
为了进一步减少芯片端面的反射，可以结合使用带角度的波导和增透膜，从而 有效地消除来自内部芯片法布里-珀罗腔的大部分反馈
单缝衍射
标志着我们实验室第一台半导体激光器研制成功！
郑公爵等，基于Littman结构的可调谐半导体激光器， Submitted to 《中国激光》（2013）
总结 1、激光器输出功率与光栅的衍射效率有关，同时与激光输出偏振有关 下一步工作 1、改进半导体激光器的恒温装置，以增加激光器输出频率的稳定性
2、采用F-P扫描方式，测量外延腔激光器的线宽与长时频漂大小
传递腔 （已经设计加工）
电子反馈电路 180MHz光探测器， PID控制电路， PZT驱动， 制作完成，测试中 Rb原子的饱和吸收光 谱稳频中，需要半导 体激光器，我们研制 了一台半导体激光器
频率精度小于1MHz
一 半导体激光器的原理与线宽
一端高反 一端14~70%
光学带宽为5到10纳 米。
Y:快轴 X:慢轴 TE偏振：平行于慢轴
kd (sin sin )
据惠更斯-菲涅尔原理 夫琅禾费衍射的光强度分布
sin sin N I I0 2 2 sin
2 2
2
,
2
对于按 角入射的平行光束 A 来说，其单槽衍
射中央主极大方向为其槽面的镜反射方向 B。
因干涉主极大方向由光栅方程
激光器的输出频率还要受谐振腔的限制. 在 F-P腔内, 振动模式必须满足关系 相邻纵模间距为
每个纵模的半高宽(线宽)为:
归一化的激光电流与光谱关系
300
98mA 1mW 电流下谱线图
250
20mA 0.12mW 40mA 0.59mW 60mA 1mW 80mA 1mW 98mA 1mW
100
20℃ 22℃ 25℃ 28℃
80
200
相对强度
60
B
40 20 0
990 1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080
150
100
50
0 980
L (nm)
980
10000
1080
A (nm)
图一 25℃时不同电流的光谱图
图二 98mA电流时不同温度的光谱图
二 光栅反馈型外延腔半导体激光器
外延腔半导体激光器原理介绍与调试
----郑公爵、尹燕宁、戴大鹏、夏勇
0、研究背景 1、半导体激光器的原理与线宽 2、光栅反馈型外延腔半导体 3、闪耀、全息光栅的原理与选型 4、Littman半导体激光器的调试 5、总结和展望
采用光学传递腔技术实现激光稳频
研究背景: 课题方案介绍
主要包括：
参考频率源 （订购中）
透 射 式 光 栅 光 强 分 布 图
I
sin
多缝干涉 I
-2/d -/d
0
/d 2/d
sin
光栅
sin
包络线为单缝衍射 的光强分布图
主极大 中 央 亮 纹
(亮纹)
极小值
次极大
k=-6 k=-5
k=-4 k=-3
k=-2 k=-1
k=0 k=1
k=2 k=3
k=4 k=5
k=6
反 射 式 闪 耀 光 栅 的 原 理 与 选 型
闪耀光栅衍射效率vs偏振
全息光栅衍射效率vs偏振
Littman外延腔半导体激光器的调试
Littman结构原理图 Littman结构实物图
Littman外延腔半导体激光器的调试
LD M1
IC
FC WG
Grating
osc
Wavemeter BS PC
1 2 3 4 5
左上：多模激光输出 右上：单模激光输出（波长） 右下：单模激光输出（频率）
决定，若希望B方向是第m级干涉主极大方向，则变换上面的光栅方程形式， B方向的衍射角应满足
2d sin
2
cos
-
2
m
考察图 所示的角度关系，有 α=θ0-和 β=θ-θ0 又因B方向是单槽衍射中央主极大方向，所以 必有α=β，即
则有
+θ=2θ0 和 θ－=2α
因而有 2d sinθ0 cos α=mλ 这就是单槽衍射中央主极大方向同时为第m级干涉主极大方向所应满 足的关系式。
反射式闪耀光栅的角度关系
单 元 衍 射
n
n
N
C D
G
N
H
一个刻槽中，两端边缘光线间光程差
A
B
E
多 单 元 干 涉
F
相邻两槽对应点光线光程差
FH EG d (sin sin )
BD AC a (sin sin )
位相差
位相差
ka (sin sin )
Littman结构
Litterow结构
M. G. Littman and H. J. Metcalf, "Spectrally narrow pulsed dye laser without beam expander App. Opt. 17, 2224 (1978).
半 导 体 激 光 器 的 选 择
若光沿槽面法线方向入射，则α=β=0，因而=θ=θ0。 在这种情况下，有
该式称为主闪耀条件，波长λM称为该光栅的闪耀波长，这时的闪耀方向即为光 栅的闪耀角θ0的方向。 若m=1，有：
2d sin 0 b
此时，单槽衍射中央主极大方向正好落在λb的一级谱线上，又因为反射光栅 的单槽面宽度近似等于刻槽周期，所以λb的其它级光谱(包括零级)均成为缺 级。现在的优质光栅可以把近 80%的能量集中到所需要的λb的一级光谱上， 使其强度变强、 闪耀，λb称为一级闪耀波长。