半导体激光器原理.ppt
2024年度激光原理及应用PPT课件
激光的相干性比普通光 强很多，可用于精密测 量和全息照相等领域。
激光器组成及工作原理
激光器组成
激光器一般由工作物质、激励源和光学谐振腔三部分组成。
2024/3/24
工作原理
在激励源的作用下，工作物质中的电子被激发到高能级，形 成粒子数反转分布。当这些电子从高能级跃迁到低能级时， 会辐射出与激励源频率相同的光子，并在光学谐振腔内得到 放大和反馈，最终形成稳定的激光输出。
激光雷达
测距、成像、识别等多元化应 用
激光显示
高清晰度、大色域、节能环保
激光制造
高精度、高效率、无接触加工
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激光器类型及其特
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点分析
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固体激光器
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工作原理
通过激励固体增益介质（ 如晶体、玻璃等）中的粒 子，实现粒子数反转并产 生激光。
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根据实际需要，还可选择佩戴耳塞、手套 等个人防护装备，以降低激光对其他部位 的危害。
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未来发展趋势预测
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与挑战分析
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新型激光器研发方向探讨
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新型材料激光器
探索新型增益介质，如量子点、二维材料等，提高激光器的性能 。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
1960年，美国物理学家 梅曼制造出第一台红宝 石激光器
现代激光技术突破与创新
光纤激光器
高功率、高效率、光束质量好
量子级联激光器
覆盖中红外到太赫兹波段
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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%。
半导体激光器的原理及其应用PPT
高功率半导体激光器的可靠性是关键问题之一，需要解决长 时间运行下的热效应、光束质量变化和器件失效等问题。研 究和发展高效散热技术、光束控制技术和寿命预测技术是提 高可靠性的重要途径。
多波长与调谐技术
多波长
多波长半导体激光器在通信、光谱分析和传感等领域具有重要应用。实现多波长输出的关键在于利用 增益耦合或波导耦合等技术，将不同波长的光场限制在相同的谐振腔内，以实现波长的稳定和可控。
跃迁过程
在半导体中，电子从价带跃迁到导带是通过吸收或释放光子的方 式实现的。当电子从导带回到价带时，会释放出能量，这个能量 以光子的形式辐射出来。
载流子输运与动态过程
载流子输运
在半导体中，电子和空穴的输运受到 散射和扩散机制的影响。散射机制包 括声学散射和光学散射等，扩散机制 则是由浓度梯度引起的。
80%
表面处理
利用半导体激光器的热效应，对 金属、塑料等材料表面进行硬化 、熔融、刻蚀等处理，提高材料 性能和外观质量。
生物医疗与科学仪器
医学诊断
半导体激光器在光谱分析、荧 光检测等领域有广泛应用，可 用于医学诊断和药物分析。
生物成像
利用半导体激光器的相干性和 单色性，实现光学成像和干涉 测量，在生物学、医学、物理 学等领域有广泛应用。
详细描述
在光纤通信中，半导体激光器 作为信号源，通过调制产生的 光信号在光纤中传输，实现信 息的快速、远距离传输。
应用优势
半导体激光器具有体积小、功 耗低、调制速度快、可靠性高 等优点，适用于大规模、高容 量的光纤通信系统。
发展趋势
随着5G、物联网等技术的发展 ，光纤通信的需求不断增加， 半导体激光器的性能和可靠性 也在不断提升。
光谱分析
半导体激光器作为光源，可用 于光谱分析技术，检测物质成 分和结构，广泛应用于环境监 测、化学分析等领域。
半导体激光器工作原理及基本结构PPT课件
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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。
半导体激光器 原理
半导体激光器原理
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光发射装置。
它通过电流注入半导体材料中的活性层，使其产生载流子（电子和空穴）重组的过程中释放出光子。
以下是半导体激光器的基本原理：
1. P-N结构：半导体激光器通常采用P-N结构，其中P区域富含正电荷，N区域富含负电荷。
2. 电流注入：当电流从P区域注入到N区域时，电子和空穴
会在活性层中重组，形成激子（激发态）。
3. 激子衰减：激子会因为与晶格的相互作用而损失能量，进而衰减为基态激子。
4. 辐射复合：基态激子最终与活性层中的空穴重新结合，释放出光子。
这个过程称为辐射复合。
5. 光放大：光子通过多次反射在激光腔中来回传播，与活性层中的激子相互作用，不断放大。
6. 反射镜：激光腔两端分别放置高反射镜和透明窗口，高反射镜可以增加内部光子的反射使其在腔内传播，透明窗口允许激光通过。
7. 激光输出：当达到一定放大程度时，激光在透明窗口处逃逸，形成激光输出。
通过控制电流注入和激光腔的结构设计，可以调节半导体激光器的发射波长、功率等参数，以满足不同应用领域的要求。
半导体激光器分析PPT课件
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1. 发射波长和光谱特性
峰值波长：在规定输出光功率时，激光器受激 辐射发出的若干发射模式中最大强度的光谱 波长。
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。
半导体激光器（Laser Diode 即LD）
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构 一、半导体激光器的工作原理
受激辐射和粒子数反转分布 PN结的能带和电子分布 激光振荡和光学谐振腔 二、半导体激光器基本结构 6.3.2 半导体激光器的主要特性 一、发射波长和光谱特性 二、激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性 四、 频率特性 五、 温度特性 6.3.3 分布反馈激光器 一、 工作原理 二、DFB激光器的优点
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9
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。
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。
收） 自发辐射 受激辐射
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3
E2
初态
E1
E2
hυ=E2-E1
E1
终态
(a) 自发辐射
光子的特点：非相干光
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4
E2
hυ
E1
初态
E2
E1
终态
(b) 受激辐射 光子的特点：相干光
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5
E2
hυ
E1
初态
E2
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激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
本文将介绍半导体激光器的发光原理和工作原理。
一、半导体激光器的发光原理1.1 激发态电子跃迁：半导体激光器的发光原理是利用半导体材料中的电子和空穴的复合辐射产生激光。
当电子和空穴在PN结区域复合时，会发生能级跃迁，释放出光子。
1.2 光放大过程：在半导体材料中，光子会被吸收并激发更多的电子跃迁，形成光放大过程。
这种过程会导致光子数目的指数增长，最终形成激光。
1.3 反射反馈：半导体激光器内部通常设置有反射镜，用于反射激光，使其在器件内部多次反射，增强激光的光程和功率，最终形成高亮度的激光输出。
二、半导体激光器的工作原理2.1 电流注入：半导体激光器的工作需要通过电流注入来激发电子和空穴的复合。
电流通过PN结区域，形成电子和空穴的复合辐射。
2.2 光放大：在电流注入的情况下，光子会被吸收并激发更多的电子跃迁，形成光放大过程。
这会导致激光的产生和输出。
2.3 温度控制：半导体激光器的工作过程中会产生热量，需要进行有效的温度控制，以确保器件的稳定性和寿命。
通常会采用温控器等设备进行温度管理。
三、半导体激光器的特点3.1 尺寸小：半导体激光器采用微型化设计，尺寸小巧，适合集成在各种设备中。
3.2 高效率：半导体激光器具有高效的能量转换率，能够将电能转换为光能，功耗低。
3.3 快速调制：半导体激光器响应速度快，能够实现快速调制和调节，适用于高速通信和数据传输领域。
四、半导体激光器的应用领域4.1 通信：半导体激光器广泛应用于光通信系统中，用于光纤通信和无线通信的光源。
4.2 医疗：半导体激光器在医疗领域中用于激光手术、激光治疗等，具有精准、无创的特点。
4.3 材料加工：半导体激光器可用于材料切割、打标、焊接等加工领域，具有高精度和高效率的优势。
五、半导体激光器的发展趋势5.1 高功率：未来半导体激光器将朝着高功率、高亮度的方向发展，以满足更多领域的需求。
第3.2 半导体激光器工作原理
~ = n − in′ n
n′ 为损耗，k0=2π/λ0 为真空中的波数， λ0 为真
空中的波长
~ 为介质的复折射率， n 为介质的折射率，虚部 n
~ r1r2 E0 exp(−ik 2 L) = E0
r1
0
r2
z
~ r1r2 exp(−ik 2 L) = 1
~ k = ( n − in′) k0
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r12 ( abs ) = B12 p2 n1n ph ( E21 )
1 其中，B12为单位时间从E1到E2 的受激吸收跃迁几率， n1为 E1能态的电子浓度，p2为 E2能 态的空状态密度。
n
r21 ( st ) = B21n2 p1n ph ( E21 )
r12 ( abs) = B12 p2 n1n ph ( E21 )
p1
r21 ( st ) + r21 ( sp ) = r12 (abs )
EFc = EFv = EF
代入各项表达式，并整理，得
r21 ( sp ) = A21n2 p1
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… …(1)
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爱因斯坦系数关系（2）
根据黑体辐射理论，有 … …(2) 其中， h 为 Planck 常数， c 为真空中的光速， nr 为材料 的有效折射率。该公式推导:见江剑平的书pp32pp32-34 比较（1）和（2）式，得
5
R1
R2
6
1
激光器激射的三个基本条件
1. 要产生足够的粒子数反转分布，即高能态的粒子 数大于低能态的粒子数。 2. 要有一个合适的谐振腔，引起反馈，使激射增生 （放大），从而产生激光振荡； 3. 要满足一定的阈值条件，以使光子增益等于或大 于光子损耗。
半导体激光器的原理和应用
半导体激光器的原理和应用简介•半导体激光器是一种基于半导体材料制造的激光发射器件。
它具有小体积、低功耗、高效率等特点，被广泛应用于光通信、光存储、医疗设备等领域。
原理•半导体激光器的工作原理是利用半导体材料的能带结构来实现光放大和放射。
•当半导体激光器正向偏置时，载流子从p区注入n区，发生复合过程，产生光子。
这些光子在具有多边反射结构的激光腔内来回反射，逐渐增强并形成激光。
•半导体激光器的激光波长与半导体材料的能带结构、材料组分等相关。
分类按材料•目前常见的半导体激光器主要有以下几种类型：1.GaAs激光器：使用III-V族化合物半导体GaAs作为材料。
2.InP激光器：使用III-V族化合物半导体InP作为材料。
3.GaN激光器：使用III-IV族氮化物半导体GaN作为材料。
按结构•半导体激光器的结构主要包括以下几种类型：1.边发射激光器：激光从半导体材料的边缘发射。
2.表面发射激光器：激光从半导体材料的表面垂直发射。
3.VCSEL激光器：采用垂直腔面发射的设计，适用于光纤通信等应用。
应用•半导体激光器由于其小体积、低功耗等特点，被广泛应用于以下几个领域： ### 光通信•半导体激光器已成为光通信领域中主要的光源设备，用于光纤通信、光纤传感等。
•半导体激光器的优势在于其尺寸小、功耗低，而且具备高效率、长寿命、波长可调节等特性，非常适合光通信应用。
光存储•半导体激光器在光存储器件中有重要的应用。
例如，DVD、蓝光光驱等设备就采用了半导体激光器作为读写光源。
•半导体激光器的小尺寸、低功耗和高速度的特点使其成为光存储设备的理想选择。
医疗设备•半导体激光器在医疗设备中也有广泛应用。
例如，激光手术刀、激光疗法等。
•半导体激光器能够以高精度、高效率地输出激光功率，用于进行精确的医疗操作，减少损伤和恢复时间。
发展趋势•随着科技的进步，半导体激光器在性能和应用方面不断发展。
发展趋势包括以下几个方面： ### 波长范围•半导体激光器的波长范围正在不断扩展，从可见光到红外光，甚至到紫外光。
半导体激光器 解理面
半导体激光器解理面一、激光器基本原理激光器是一种产生高纯度、高亮度、高单色性、高相干性的光源。
它的基本原理是通过激发介质中的原子或分子，使其处于激发态，然后通过受激辐射的过程，产生具有相同频率、相同相位、相干性很高的光子。
半导体激光器是一种利用半导体材料作为激光介质的激光器。
二、半导体激光器的结构半导体激光器通常由n型和p型半导体材料构成的pn结构组成。
在这种结构中，n 型半导体的载流子浓度远大于p型半导体，形成了一个正向偏压的结。
当正向电流通过pn结时，电子从n区向p区扩散，空穴从p区向n区扩散。
当电子和空穴在pn结内复合时，会发射出光子，形成激光器的输出光。
三、解理面对激光器性能的影响解理面是指半导体激光器芯片的表面，通过对解理面的处理可以影响激光器的性能。
解理面的处理通常包括切割和抛光两个步骤。
1. 切割切割是指将半导体激光器芯片切割成小块的过程。
切割的目的是将一个大的芯片分割成多个小的芯片，以便进行后续的加工和封装。
切割的质量对激光器的性能有很大的影响，切割面的平整度和表面质量会直接影响激光器的输出功率和光束质量。
2. 抛光抛光是指对切割后的芯片进行表面处理，使其表面更加平整光滑。
抛光的目的是去除切割产生的毛刺和划痕，提高解理面的质量。
抛光的质量对激光器的性能也有很大的影响，解理面的平整度和表面质量会影响激光器的发光效率和光束质量。
四、解理面处理的方法解理面的处理方法有多种，常见的包括机械抛光、化学机械抛光和离子束刻蚀等。
1. 机械抛光机械抛光是通过机械的方法对解理面进行研磨和抛光，以去除表面的毛刺和划痕。
机械抛光的优点是工艺简单、成本低廉，但是抛光的质量受到机械设备和操作技术的限制。
2. 化学机械抛光化学机械抛光是通过化学和机械的方法对解理面进行处理。
首先使用化学溶液溶解解理面上的杂质和毛刺，然后通过机械摩擦去除溶解后的杂质。
化学机械抛光的优点是可以得到非常平整的解理面，但是工艺复杂，成本较高。
半导体激光器的原理及其应用
增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质
n c2 A21 n c 2 Gν f ν f ν 8 2ν2 8 2ν2t复合
c 2 f ν J 2 2 nLwd I 8 ν ed t复合 e 1 lnr1r2 G a内 2 2 2L n c A21 n c G ν f ν f ν 2 2 2 2 f ( ν ) ν 8 ν 8 ν t复合 2 2 1 8 ed J阈 a内 ln r1r2 2L c2 G ν
§12.4 半导体激光器
姓名：xxx 学号：xxxxx
本章主要内容
1.激光器 2.半导体 3.半导体激光器
§ 1. 激光器 什么是激光器？
使入射光 得到放大， 是核心
泵浦源
光抽运
供给工作 物质能量
工作介质
激光束
只让与反射镜轴向平行的光束能在激活介质中来回地 反射，连锁式地放大。最后形成稳定的激光输出。
图 激光束的空间分布示意图
※ 3.4半导体激光器工作的阀值条件
◆ 要实现电子数的反转，输入电流要很高。当电流较小时，此时只发出 普通光，当电流增大到某一值时，开始发射出激光，此电流即是阀值电流。 激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件
G a内 1 lnr1 r2 2L
能否产生振荡,取决于增益与损耗的大小。对光学谐振腔, 要获得光自激 振荡, 须令光在腔内来回一次所获增益,至少可补偿传播中的损耗。
激光振荡阈值是腔内辐射由自发辐射(荧光)向受激辐射(激光)转变的转折 点。
※ 1.3 激光器的增益和损耗
(一) 激光器的增益
增益：在注入电流的作用下，激活区受激辐射不断增强。 增益系数的定义： 光强随距离的变化：
半导体激光器原理及应用PPT课件
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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
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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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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
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引言概述：半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件，其在通信、医疗、材料加工等领域有着广泛的应用。
了解半导体激光器的发光原理和工作原理对于理解其性能和优化器件设计具有重要意义。
一、发光原理1.1 电子-空穴对复合半导体激光器的发光原理基于电子-空穴对复合过程。
当外加电压使得半导体器件导通时，电子和空穴会在PN结附近结合，产生能量释放的现象。
1.2 激子复合在半导体材料中，电子和空穴也可以形成激子，即电子和空穴以束缚态结合。
当激子复合时，会释放出光子，产生激光。
1.3 带隙能量半导体材料的带隙能量决定了其能否发生光电效应。
惟独当材料的带隙能量大于光子能量时，才干产生激光。
二、工作原理2.1 激发过程半导体激光器的工作原理是通过外加电压激发载流子，使得电子和空穴在PN 结附近复合，产生光子。
激发过程是实现激光发射的关键。
2.2 光放大过程在半导体激光器中，产生的光子会在增益介质中发生受激辐射，引起光子的增幅，形成激射。
光放大过程是激光器输出高质量激光的基础。
2.3 光反射过程半导体激光器中通常会设置反射镜，使得激光在增益介质中来回反射，增加光子数目和能量，最终形成激射输出。
三、器件结构3.1 激发层半导体激光器的激发层是产生激光的关键部份，通常由P型和N型半导体材料组成。
在激发层中，电子和空穴会发生复合，产生光子。
3.2 增益介质增益介质是半导体激光器中的光放大部份，通常由半导体材料或者光导纤维构成。
光子在增益介质中通过受激辐射过程增幅。
3.3 反射镜反射镜用于反射激光，增加光子数目和能量。
半导体激光器中的反射镜通常由高反射率的金属或者光学薄膜构成。
四、性能参数4.1 波长半导体激光器的波长取决于半导体材料的带隙能量，通常在红外、可见光或者紫外波段。
4.2 输出功率输出功率是衡量半导体激光器性能的重要参数，通常取决于激发电流和器件结构。
4.3 效率半导体激光器的效率指的是输出光功率与输入电功率的比值，影响激光器的能耗和发热情况。
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激光器是一种能够产生高度聚焦、单色、相干光的器件。
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光器，其发光原理和工作原理是通过电流注入半导体材料来实现的。
一、半导体材料半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
常用的半导体材料有硅(Si)和化合物半导体如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)等。
半导体材料的特点是在室温下具有一定的导电性，同时也具有一定的绝缘性。
二、PN结和激光器结构半导体激光器的核心是PN结。
PN结是由P型半导体和N型半导体的结合形成的。
在PN结中，P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子会发生复合，形成电流。
当在PN结中施加正向偏置电压时，电子从N端流向P端，空穴从P端流向N端，这样就形成了电流。
半导体激光器通常采用的结构是双异质结构。
双异质结构是在PN结的基础上，通过在P型半导体和N型半导体之间引入一个带隙较大的材料，形成一个能带阱。
这个能带阱可以限制电子和空穴的运动，从而使得电子和空穴在能带阱中发生复合，产生光子。
三、激光器的发光原理半导体激光器的发光原理是基于激光的受激辐射效应。
当在半导体材料中施加电流时，电子从N端流向P端，空穴从P端流向N端，这样就形成了电流。
当电子和空穴在能带阱中发生复合时，它们会释放出能量，这个能量以光子的形式发射出来。
在半导体激光器中，激光的产生是通过受激辐射的过程实现的。
当一个光子经过激光器材料时，它会与被激发的电子发生碰撞，激发电子从低能级跃迁到高能级。
当这个激发电子回到低能级时，它会释放出一个与初始入射光子相同频率和相同相位的光子。
这个释放出的光子与入射光子具有相同的频率和相位，从而形成了激光。
四、激光器的工作原理半导体激光器的工作原理是通过注入电流来实现的。
当在半导体激光器的PN结中施加正向偏置电压时，电子从N端流向P端，空穴从P端流向N端，形成了电流。
这个电流会激发PN结中的电子从低能级跃迁到高能级，从而产生激光。
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
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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
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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
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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
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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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1.全息曝光 2.干法或湿 法刻蚀
1.光栅制作
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2.二次外延生长
生长：
1.低折射率层 2.腐蚀停止层 3.包层 4.帽层：接触层
纵模
• F-P腔激光器： 多纵模工作
• DFB激光器 单纵模工作
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F-P腔激光器
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DFB激光器
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DFB-LD与DBR-LD
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F-P-LD与DFB-LD的纵模间隔
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DFB-LD的增益与损耗
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工作特性
1.阈值电流 Ith
影响阈值电流的因素： 1. 有源区的体积：腔长、条宽、厚度 2. 材料生长：掺杂、缺陷、均匀性 3. 解理面、镀膜 4. 电场和光场的限制水平 5. 随温度增加，损耗系数增加，漏电流增加，内量子
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3.一次光刻
• 一次光刻出 双沟图形
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4.脊波导腐蚀
选择性腐蚀到 四元停止层
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5.套刻
PECVD生长SiO2 自对准光刻 SiO2腐蚀
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6.三次光刻：电极图形
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7.欧姆接触
1. P面溅射TiPtAu 2. 减薄 3. N面 TiAu
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端面镀膜
• 先解理成条 • 端面镀膜:高反膜\增透膜
4
导体 绝缘体 半导体
5
能带中电子和空穴的分布
导带中绝大多数电子分布在导带底。 Ef为费米能级，它在能带中的位置直观的标志着电子占据量子态的情况。 费米能级位置高，说明有较多能量较高的量子态上有电子。
6
能带中电子和空穴的分布
N型半导体中的电子和空穴在能级中的分布（热平衡状态）
7
能带中电子和空穴的分布
• 对DFB-LD，激射波长主要由光栅周期和等效折射 率决定，温度升高时光栅周期变化很小，所以Δλb / ΔT 小于0.1nm /℃ 。
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F-P-LD与DFB-LD的频率啁啾
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工作特性
5.光谱宽度 6边模抑制比 7上升/下降时间 8串联电阻 9热阻
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各特性的关系
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DFB-LD芯片制造
半导体激光器原理与制造
Semiconductor laser diode Principle&Fabrication
1
主要内容
1.半导体物理基础知识 2.半导体激光器工作原理 3.工作特性及参数 4.结构及制造工艺 5.面发射激光器
2
半导体物理基础知识
1. 能带理论 2. 直接带隙和间接带隙半导体 3. 能带中电子和空穴的分布 4. 量子跃迁
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横模（侧横模）
增益导引激光器(Gain guide LD)
条形激光器
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几种典型的折射率导引激光器
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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。
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• 垂直横模 • 侧横模
• 垂直横模：由异质结各层 的厚度和各层之间的折射 率差决定。
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横模（侧横模）
折射率导引激光器（Index guide LD）
• 1.强折射率 导引的掩埋 异质结激光 器（BH-LD）
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横模（侧横模）
折射率导引激光器（Index guide LD）
2.弱折射率导引激光器： 脊波导型激光器 （RWG-LD）
端面镀膜的作用: 1.增大出光功率，2.减小阈值电流 高反膜80-90%，增透膜5-10%
P型半导体中的电子和空穴在能级中的分布（热平衡状态）
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）
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。
2-晶格常数与 衬底匹配
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半导体激光器的工作原理
基本条件：
1有源区载流子反转分布 2谐振腔：使受激辐射多
次反馈，形成振荡 3满足阈值条件，使增益
>损耗，有足够的注入 电流。
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双异质结激光器
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分别限制异质结单量子阱激光器
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横模（两个方向）
• 半导体激光器通常是单横 模（基模）工作。
• 当高温工作，或电流加大 到一定程度，会激发高阶 模，导致P-I曲线出现扭折 （Kink），增加了躁声。
效率降低，这些都会使阈值电流密度增加
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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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工作特性
3.外微分量子效率ηd （斜率效率）：
可以直观的用来比较不同的激光器性能的优劣。
5. 半导体异质结
6. 半导体激光器的材料选择
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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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量子跃迁
非辐射跃迁： 1. 异质结界面态的复合 2. 缺陷复合：有源区都
是本征材料 3. 俄歇复合：对长波长
激光器的量子效率、 工作稳定性和可靠性 都有不利影响
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• 特点：
量子跃迁
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直接带隙和间带隙半导体
直接带隙半导体跃迁几率高， 适合做有源区发光材料 （如GaAs，InP，AlGaInAs）
ηd = ΔP / ΔI
外微分量子效率并不是越大越好，如果太大，光功率输 出随注入灵敏度太高，器件容易被损坏。
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工作特性
4. 峰值波长随温度的改变Δλb / ΔT：
• 对F-P-LD，当激光器的温度升高时，有源区的带隙 将变窄，同时波导层的有效折射率发生改变，峰值波 长将向长波长方向移动。约为0.5nm/℃ 。
间接带隙半导体电子跃迁时：始态和终态的 波矢不同，必须有相应的声子参与吸收和发 射以保持动量守恒，所以跃迁几率低。
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半导体异质结
• 异质结的作用：
• 异质结对载流子的限 制作用
• 异质结对光场的限制 作用
• 异质结的高注入比
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异质结对光场的限制作用
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半导体激光器的材料选择
1-能在所需的 波长发光