课程设计半导体激光器

本文主要讲的是半导体激光器的发展历史、工作原理及应用。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,首先产生激光的具体过程有许多特殊之处,其次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。
第2章
2.1半导体
工作物质为半导体晶体的一类激光器，称为半导体激光器。其激励方式主要分为电注入式、电子束激励式和光泵浦式三种。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入式，即给PN结加正向电压，使得结平面区域产生受激发射。这犹如一个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为激光二极管。
如图2-1所示，简单的半导体激光器由带隙能量较高的P型和N型半导体材料和一层很薄的有源层构成。在PN结加上正向偏置电压后，电子从N区向P区流动，空穴从P区向N区流动，在作用区内，电子和空穴复合产生光子。当注入电流较小时，注入结区的电子和空穴数目较少，此时只能自发辐射（荧光），光向四面八方传播；当注入电流大到一定程度时，便向外输出激光。
Keywords:Laser technique；Semiconductor lasers；Stimulated emission；Optical field
第1章
1.1
18世纪中叶，随着第一次工业革命的发生，使人类文明向前迈出了一大步，实现了从传统农业社会转向现代工业社会的重要变革、使机器代替了手工劳动、工厂代替了手工工厂。促进近代城市的兴起，城市进程加快，人口迅速增长，人们生活方式和思想观念发生改变。工业革命给人们的日常生活和思想观念带来了巨大的变化，使人们对物质的需求有了一个飞速的提高。这些需求深深地刺激了科学技术并使其有了飞速的发展。
20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的pn结二极管在正向大电流注入下，电子不断地向p区注入，空穴不断地向n区注入.于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧光，在一定的条件下发生激光，这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。
关键词激光技术；半导体激光器；受激辐射；光场
Abstract
This article is mainly about the history of the development of semiconductor lasers, working principle and applications. Semiconductor lasers produce laser mechanism, which must be established between the specific laser energy state population inversion, and a suitable optical resonator. As the physical structure of the semiconductor material in which electron motion specificity and particularity, while the specific process of producing laser has many special features, the other produced by the laser beam has a unique advantage to make it widely used in all sectors of society . From homo-junction to the heterojunction, the power from the information type to type, is also becoming increasingly apparent superiority of the laser, spectral range, coherence enhanced semiconductor lasers opened a new era in the development of laser applications.
(2)要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对F-P腔(法布里-帕罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P-N结平面相垂直的自然解理面构成F-P腔。
信息技术已成为全球性战略技术。以光电技术和微电子技术为基础所支持的通信和网络技术已成为高技术的核心，正在深刻影响国民经济、国民建设的各个领域。其中，半导体激光器起着举足轻重的作用。
半导体激光器 ，其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制以及与其它半导体器件集成的能力强等特点而成为信息技术的关键器件。在光谱技术、光外差探测、医疗、加工等领域得到愈来愈广泛的应用。目前，它已是固体激光器泵浦、光纤放大器泵浦中不可替代的重要光源。
图2-1半导体激光器的结构
因此，半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件：
(1)增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注入必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。
郑州轻工业学院
课 程 设 计 任 务 书
题目半导体激光器原理及应用
专业、班级学号姓名
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
完 成 期 限：
Baidu Nhomakorabea指导教师签名：
课程负责人签名：
年 月 日
郑州轻工业学院
课程设计说明书
题目：半导体激光器原理及应用
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院（系）：技术物理系
专业班级：电子科学与技术09-1
学号：************
指导教师：运高谦
成绩：
时间：年月日至年月日
摘要
本文主要讲的是半导体激光器的发展历史、工作原理及应用。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,首先产生激光的具体过程有许多特殊之处,其次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,光谱范围变宽,相干性增强,可以说是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。
1.2
1898年英国作家威尔斯在一本科幻小说中提出了一种像幽灵一般的光，凡是能燃烧的物体碰到他就会燃起熊熊大火，这种光成为“死光”。1983年美国总统李根提出的一项战略防御计划“星球大战”中提到反导弹激光武器，1917年爱因斯坦提出了受激辐射理论，特定的光子经过一个原子时可能会使这个原子发出一个同样的光子，这个理论打开了激光之门。1953年，美国物理学家汤斯设计出了一种叫谐振腔的设备，并利用激发氨气体得到了一种波长非常短的微波，这种设备叫做“受激辐射微波放大器”。1958年，汤斯和肖洛发表了一篇论文指出利用“受激辐射微波放大器”并在装有能发射可见光物质的容器前后端各安装一面反射镜，这就是激光装置的基本构造。梅曼利用看起来非常简单的方法，在1960年7月演示了世界第一台红宝石固体激光器。
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。半导体激光器的工作物质有几十种,例如砷化镓(GaAs),硫化镉(CdS)等,激励方式主要有电注入式,光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器从最初的低温(77K)下运转发展到室温下连续工作；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。半导体激光器因其波长的扩展,高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。半导体激光器的体积小、重量轻、成本低、波长可选择,其应用遍布临床、加工制造、军事,其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。
半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，最先出现的是单异质结构激光器(1969年)。单异质结注入型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsPN结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。1970年,实现了激光波长为9000A,室温连续工作的双异质CaAs—GaAIAs(砷化镓-镓铝砷)激光器。双异质结激光器(DHL)的诞生使可用波段不断拓宽,线宽和调谐性能逐步提高,其结构的特点是在P型和N型材料之间添加了仅有0.2tt.m厚的,不掺杂的,具有较窄能隙材料的一个薄层,因此注A.00载流子被限制在该区域内(有源区),因而注入较少的电流就可以实现载流子数的反转。在半导体激光器件中，目前比较成熟,性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。
但是，半导体激光器正常工作时，需要稳定的环境温度。环境温度的变化以及激光器运转时器件发热而导致其温度起伏，将直接影响激光器输出功率的稳定性和运行的安全可靠性，甚至造成半导体激光器的损坏。因此，半导体激光器的驱动电源温度控制问题越来越受到人们的重视。
在传统的温控系统中，一般采用专用的单片机，一旦其扩展性和通用性不强，而且控制策略的实现和改变比较麻烦，由于单片机功能限制，难以保证高精度温控要求的实现，于是出现了利用工控机和采集卡进行控制，但必须设计相应的温度接口滤波，信号转换电路。在温控策略的实现上一般温控系统为大滞后系统，被控对象参数变化比较大、影响因素较多、非线性严重，所以难以建模，在对象参数变化、数学建模不精确和控制环境变化时，其性能会显著变化。多信号和多通道高精度温控系统。未来的温度控制系统将朝着多信号、多通道、高精度的方向发展。
从20世纪70年代末开始,半导体激光器明显向着两个方向发展,一类是以传递信息为目的的信息型激光器.另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器.在泵浦固体激光器等应用的推动下,高功率半导体激光器在20世纪90年代取得了突破性进展,其标志是半导体激光器的输出功率显著增加,国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化,国内样品器件输出已达到600W。如果从激光波段的被扩展的角度来看,先是红外半导体激光器,接着是670hm红光半导体激光器大量应用,接着,波长为650nm、635nm的激光器问世,蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功,l0mw量级的紫光乃至紫外光半导体激光器也在加紧研制中。
目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络。为了满足21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要，半导体激光器的发展趋势主要在高速宽带LD、大功率ID、短波长LD、盆子线和量子点激光器、中红外LD等方面。目前，在这些方面取得了一系列重大的成果。
1.3
可见在半导体激光器中,电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。对于新型半导体激光器而言,人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪,科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点,而GaInN量子点已用于半导体激光器。另外,科学家也已经做出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器,这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能带更低一级状态的跃迁,由于只有导带中的电子参与这种过程,因此它是单极性器件半导体激光器的工作特性。
(3)为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满意一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。