半导体光纤激光器结构
半导体激光的原理和应用
半导体激光的原理和应用引言半导体激光是一种重要的光学器件，具有广泛的应用领域。
本文将介绍半导体激光的工作原理及其在通信、医疗、制造业等领域的应用。
工作原理半导体激光的工作原理基于半导体材料的特性。
当电流通过半导体材料时，会激发出光子并形成发光。
具体工作原理如下：1.pn结构：半导体激光器的基本结构是由p型半导体和n型半导体组成的pn结构。
在pn结构中，p区和n区之间形成空间电荷区，也称为p-n 结。
2.电流注入：当通过pn结施加适当的电压，电子从n区向p区流动，形成电流注入。
这些电子与空穴在p区与n区之间复合，产生光子。
3.光反射：在激光器的两侧，通常会使用反射镜，以确保光子在激光器内部多次反射，增加激射效果。
4.放大效应：在光子多次反射后，激光器中的光子会被放大，形成激光束。
5.激光输出：当光子放大到一定程度时，会通过激光输出端口输出，形成一束聚焦强度高的激光。
应用领域半导体激光广泛应用于下述领域：1. 通信领域•光纤通信：半导体激光器的小体积、高效率和调制速度的优势，使其成为光纤通信中的关键元件。
它们被用于发送和接收信号，实现高速、稳定的数据传输。
•光纤传感器：半导体激光器可以用于光纤传感器中的光源，通过测量光的特性实现温度、压力和应变等参数的监测。
2. 医疗领域•激光眼科手术：半导体激光器可以用于激光眼科手术，如LASIK手术。
它们通过改变角膜的形状来矫正近视、远视和散光等眼科问题。
•激光治疗：半导体激光器可以用于激光治疗，如治疗疱疹病毒感染、减少毛囊炎症等。
3. 制造业领域•材料加工：半导体激光器用于材料加工，如切割、焊接和打孔等。
由于激光束的高能量密度和聚焦性，它们可以实现高精度的材料加工。
•激光制造：半导体激光器可以用于激光制造，如3D打印、激光烧结等。
它们可以实现复杂结构的制造，提高生产效率。
4. 科研领域•光谱分析：半导体激光器可以用于光谱分析，如拉曼光谱和荧光光谱。
它们可以提供高分辨率和高灵敏度的光谱结果，帮助科研人员研究物质的性质。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理激光技术在现代科学和工业中起着至关重要的作用，而半导体激光器是其中一种常用的激光器类型。
它通过半导体材料的特殊性质来产生激光光束。
本文将详细介绍半导体激光器的工作原理。
一、激光的基本原理要了解半导体激光器的工作原理，首先需要了解激光的基本原理。
激光是一种特殊的光，与普通的自然光有很大区别。
激光光束具有相干性、单色性和聚焦性等特点，这些特征使得激光在各个领域有广泛的应用。
激光的产生是通过光子的受激辐射过程实现的。
在光学腔中，光子通过与激发状态的原子或分子发生相互作用，被吸收并获得能量。
然后，这些激发的原子或分子会受到外界刺激，由高能级跃迁到低能级，释放出原子或分子的“多余”能量。
这些能量会以光子的形式，经过光放大器的反射和反射，最后通过激光器的输出窗口发出。
这样就形成了一束特殊的激光光束。
二、半导体激光器的结构半导体激光器是利用半导体材料的特性来产生激光的器件。
它的主要结构由正、负型半导体材料组成，通常是p型和n型半导体，中间夹层为n型材料。
具体来说，半导体激光器一般由以下几个关键部分构成：1. 激活层（active layer）：激活层是半导体激光器的核心部分，也是激光的产生和放大的地方。
它由两种半导体材料之间的异质结构构成，通常是由n型和p型材料组成。
当外加电流通过激活层时，会在激活层中产生载流子（电子和空穴）。
2. 波导层（waveguide layer）：波导层是指导激光光束传播的部分，其材料的折射率通常比周围材料低。
通过选择合适的波导层结构，可以实现激光束的单模（TEM00）输出。
3. 管腔（cavity）：管腔是激光器中的一个重要元件，它由两个高反射率镜片构成，将光线限制在波导层中，形成光学腔。
其中一个是部分透射的输出镜，另一个是全反射的输出镜。
管腔的长度决定了激光的波长。
4. 电极（electrodes）：电极主要用于施加电场，控制激光器的开启和关闭。
它们通常位于激光器的两端，通过外接电源提供正向或反向偏置电压。
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%。
《激光原理》5-4半导体激光器
图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
③在重掺杂P型半导体中，费米能级向下移到价带中，低于费米能级的能带被电子 填满，高于费米能级的能态都是空的，价带中出现空穴——P型简并半导体 (图c);
④在重掺杂N型半导体中，费米能级向上移到导带中，低于费米能级的能带被电子填 满，高于费米能级的能态都是空的，导带中也有自由电子——N型简并半导体 (图e);
满带：若能带中各个能级全部被电子填满，则称为满带。 非满带：若能带中只有一部分能级填入电子，则称为非满带。 空带：若能带中各个能级都没有电子填充，则称为空带。 价带：价电子的能级所分裂而形成的能带称为价带。 导带：空带和未被价电子填满的价带称为导带。
二、绝缘体、导体和半导体
1、绝缘体
导带（空带）
能带的特征：（1）只有满带和空带；（2）满 带和空带之间有较宽的禁带，禁带宽度一般大 于3eV。（约3～6 eV）
Si Si Si Si
Si Si
+ B
Si
N型半导体（电子型）：
四价元素Si，Ge，掺五价元 素P，Sb，Td
导带 施主能级
价带
五价原子将在代替四价元素的原子，多出的一个价电子只在杂质离子的电场
范围内运动。杂质原子称为施主原子，相应的杂质能级称为施主能级。量子
力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处, 极易形成电子
对于重掺杂的 GaAs P－N 结，在P－N 结的附近，导带中有电子而价带中有空穴， 这一小段区域称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并 在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光子的激发下 跃迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大 于受激吸收光子的速率。
光纤激光器的基本结构
光纤激光器的基本结构光纤激光器是一种利用光纤作为激光介质的激光器。
它具有高效率、高稳定性、小体积等优点，被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
其基本结构包括泵浦源、光纤增益介质、反射镜和输出窗口。
1. 泵浦源泵浦源是光纤激光器中最重要的组成部分之一，其作用是提供能量给增益介质，使其产生受激辐射。
常用的泵浦源有半导体激光器和二极管激光器两种。
半导体激光器是一种将电能转化为光能的器件，其工作原理是利用半导体材料中的电子与空穴复合时释放出能量的过程来产生激光。
半导体激光器具有小体积、高效率等特点，但其输出功率有限。
二极管激光器也是一种将电能转化为光能的器件，与半导体激光器相比，二极管激光器具有更高的输出功率和更广阔的工作范围。
因此，二极管激光器是目前光纤激光器中常用的泵浦源。
2. 光纤增益介质光纤增益介质是光纤激光器中产生受激辐射的关键部分。
常用的增益介质有掺铒、掺镱等元素的光纤。
掺铒光纤是一种将铒元素掺杂进石英玻璃中制成的光纤，其主要特点是在1.5微米波段具有较高的增益。
掺镱光纤则是将镱元素掺杂进石英玻璃中制成的光纤，其主要特点是在1.06微米波段具有较高的增益。
3. 反射镜反射镜是将激光产生并放大后反射回来形成激射束束流线的关键部分，通常由高反膜和低反膜组成。
高反膜可以使得大部分激发后发出来的能量被反射回去，而低反膜可以使得少量能量通过，从而形成激射束束流线。
4. 输出窗口输出窗口是将激射束束流线从光纤内部输出的关键部分，通常由透明的玻璃或石英制成。
输出窗口可以使得激射束束流线从光纤内部顺利输出，并保护光纤不受外界环境的影响。
总之，光纤激光器的基本结构包括泵浦源、光纤增益介质、反射镜和输出窗口。
这些组成部分相互配合，共同完成了将泵浦能量转化为激射束束流线的过程。
随着科技的不断发展，光纤激光器在各个领域中的应用前景也越来越广阔。
光纤激光器的基本结构和工作原理
光纤激光器的基本结构和工作原理一、光纤激光器的基本结构光纤激光器是一种利用光纤作为光学谐振腔的激光器。
它由光纤、泵浦光源、谐振腔和输出耦合器件组成。
1. 光纤：光纤作为光传输的介质，具有较高的光学质量和较低的损耗。
它通常由二氧化硅或氟化物等材料制成。
2. 泵浦光源：泵浦光源是提供激发能量的装置，常见的泵浦光源有半导体激光器、氘灯等。
泵浦光源通过能级跃迁将电能转化为光能，将光纤中的掺杂物激发至激发态。
3. 谐振腔：谐振腔是产生激光放大的空间，由两个反射镜构成，其中一个是部分透射的输出耦合镜。
谐振腔中的光纤被反射镜反射多次，形成光学谐振，增强光的幅度。
4. 输出耦合器件：输出耦合器件是将放大的激光从谐振腔中输出的装置，常见的输出耦合器件有反射镜、光栅等。
它通过调节输出耦合器件的透射率，实现激光的输出。
二、光纤激光器的工作原理光纤激光器的工作原理是基于激光的受激辐射过程。
其工作过程主要可以分为三个步骤：泵浦、光放大和激射。
1. 泵浦：泵浦光源产生的高能量光通过耦合装置输入光纤，激发光纤中的掺杂物（如铥、镱、铍等）的原子或离子跃迁到激发态，形成一个能级反转。
2. 光放大：光纤中的激发态粒子通过受激辐射过程，发射出与泵浦光源相同频率和相干相位的光子。
这些光子经过多次反射，在谐振腔中不断放大，形成光的增强。
3. 激射：当光的增益超过谐振腔的损耗时，光纤激光器开始产生激射。
激射的激光经过输出耦合器件，部分透射出光纤，形成激光输出。
光纤激光器的工作原理可以通过能级图来解释。
在泵浦过程中，泵浦光源提供的能量使得光纤中的掺杂物原子或离子跃迁到激发态。
在光放大过程中，激发态粒子通过受激辐射过程，发射出与泵浦光源相同频率和相干相位的光子。
这些光子通过多次反射，在谐振腔中不断受到增益介质的放大。
当光的增益超过谐振腔的损耗时，光纤激光器开始产生激射，形成激光输出。
光纤激光器具有很多优点，如小型化、高效率、高质量光束、稳定性好等。
半导体激光器的原理及应用论文
半导体激光器的原理及应用论文半导体激光器是使用半导体材料作为激光活性介质的激光器。
其工作原理主要是通过半导体材料中的电子与空穴的复合过程产生光辐射，然后通过光放大与反射来形成激光输出。
半导体激光器具有小体积、高效率、快速调谐和易集成等特点，广泛应用于光通信、激光雷达、光储存等领域。
半导体激光器的基本结构包括激活区、pn结以及光反射与光增强结构。
激活区是半导体材料的核心部分，通过电流注入产生电子空穴复合过程来产生光辐射。
pn结是半导体激光器的结电阻，通过透明导电薄膜使电流从n区流入p区，进而在激活区形成电子空穴复合。
光反射与光增强结构包括反射镜和波导，用于增加激光器输出的光强度与方向性。
半导体激光器具有广泛的应用领域。
在光通信领域，半导体激光器被广泛用于光纤通信和光纤传感器系统。
半导体激光器通过调制光信号，可以实现高速传输，并且具有高能效和稳定性。
在激光雷达领域，半导体激光器用于提供高亮度、窄线宽和快速调谐的激光源，用于实现高分辨率的距离测量和目标识别。
在光储存领域，半导体激光器用于光盘、蓝光光盘等储存介质的读写操作，具有高速、高信噪比和长寿命等特点。
近年来，半导体激光器的研究重点主要是提高其性能和功能。
例如，通过调制技术可以实现高速调制，将半导体激光器应用于光通信的需要；通过外腔技术可以实现单纵模输出，提高激光的空间一致性和色散特性，扩展其应用领域；通过量子阱技术可以实现更高的量子效率和辐射效率，提高激光器的功率和效能。
总之，半导体激光器作为一种重要的激光器件，在光通信、激光雷达、光储存等领域具有广泛的应用前景。
随着相关技术的不断发展与进步，半导体激光器的性能与功能将得到进一步的提升，为相关领域的应用带来更多的机遇和挑战。
光纤激光器的基本结构
光纤激光器的基本结构光纤激光器是一种基于光纤的固态激光器，具有高效、稳定、可靠等优点，被广泛应用于通信、制造业、医疗等领域。
它的基本结构包括泵浦光源、光纤放大器、光纤反射镜和激光输出光纤。
下面将详细介绍每个部分的结构和作用。
一、泵浦光源泵浦光源是光纤激光器的核心部件，它的作用是提供能量激发光纤中的掺杂物，使其产生激光。
常用的泵浦光源有半导体泵浦二极管、光纤耦合的激光二极管等。
半导体泵浦二极管是最常用的泵浦光源，它的结构由n型和p型半导体材料组成，两端连接金属电极。
当电流流过二极管时，n型和p型半导体之间的结电场使得电子和空穴结合并释放出能量，这种能量被传递到掺杂光纤中，使其产生激光。
光纤耦合的激光二极管是一种将激光通过光纤耦合到掺光纤中的泵浦光源，它的结构由激光二极管、光纤耦合器和掺光纤组成。
二、光纤放大器光纤放大器是光纤激光器中的另一个关键部件，它的作用是将泵浦光源产生的激光放大。
光纤放大器的结构包括掺杂光纤、泵浦光源和光纤反射镜。
当泵浦光源激发掺杂光纤中的掺杂物时，产生的激光被反射到光纤反射镜上，不断地被反射和放大，最终形成高质量的激光输出。
三、光纤反射镜光纤反射镜是将激光反射回掺杂光纤中的镜子，它的结构包括镜头和反射膜。
当激光经过反射膜时，一部分激光被反射回掺杂光纤中，使其不断地被反射和放大，最终形成高质量的激光输出。
四、激光输出光纤激光输出光纤是将产生的激光传输到需要的地方的光纤，它的结构和普通光纤类似。
激光输出光纤的质量对激光器的输出功率和稳定性有很大的影响，因此要选择高质量的光纤。
总的来说，光纤激光器的基本结构包括泵浦光源、光纤放大器、光纤反射镜和激光输出光纤。
这些部件的结构和作用紧密相连，协同工作，才能产生高质量的激光输出。
半导体激光器分类
半导体激光器分类半导体激光器是一种利用半导体材料的电子和空穴相互作用而产生的激光器件。
它广泛应用于通信、医疗、工业等领域。
根据不同的分类标准，半导体激光器可以分为多种类型，下面将对其进行详细介绍。
1. 根据材料类型分类(1) GaAs激光器：使用GaAs（砷化镓）作为材料，主要应用于通信领域。
(2) InP激光器：使用InP（磷化铟）作为材料，主要应用于高速通信和光纤通信领域。
(3) GaN激光器：使用GaN（氮化镓）作为材料，主要应用于紫外线LED、蓝色LED等领域。
2. 根据结构类型分类(1) Fabry-Perot激光器：是最简单的半导体激光器结构，由两个反射镜和一个活性层组成。
适用于短距离通信和数据传输。
(2) DFB（分布式反馈）激光器：在Fabry-Perot结构上加入了布拉格反射镜，在活性层上形成周期性折射率的结构，实现了单纵模输出。
适用于长距离通信和高速数据传输。
(3) VCSEL（垂直腔面发射激光器）：是一种垂直发射结构，通过反射镜和半透明膜将激光垂直发出，具有较高的输出功率和单模特性。
适用于短距离通信、数据传输和传感领域。
3. 根据波长范围分类(1) 红外激光器：波长范围在0.75-1.5μm之间，主要应用于通信、医疗、工业等领域。
(2) 可见光激光器：波长范围在0.4-0.7μm之间，主要应用于显示技术、医疗等领域。
(3) 紫外线激光器：波长范围在0.1-0.4μm之间，主要应用于材料加工、生物医学等领域。
4. 根据工作方式分类(1) 连续波（CW）激光器：连续不断地产生激光输出。
(2) 脉冲激光器：产生脉冲状的激光输出，可分为Q-switched和mode-locked两种。
(3) 调制激光器：通过调制电流或光强度来改变激光输出的特性，适用于高速通信和数据传输。
总之，根据不同的分类标准，半导体激光器可以分为多种类型。
在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的激光器类型。
分布反馈布拉格半导体激光器DFBLD课件
无人驾驶
在无人驾驶系统中，激光雷达通 过DFB LD生成稳定的激光信号
，实现车辆导航和避障。
显示与照明领域的实际应用
高亮度显示
DFB LD用于生成高亮度的可见光，推动高亮度显 示技术的发展。
投影显示
作为投影显示系统的光源，DFB LD提供高质量、 高亮度的图像。
照明艺术
在照明艺术领域，DFB LD用于创造动态、多彩的 视觉效果。
以满足各种复杂应用需求。
多波段、多模式的研究
03
开展多波段、多模式DFB LD的研究，拓展其在通信、光谱分析
等领域的应用范围。
05
DFB LD的实际应用案例
光纤通信领域的实际应用
高速数据传输
DFB LD在光纤通信中用于 生成稳定、低噪声的光信 号，实现高速数据传输。
长距离通信
由于其低噪声和窄线宽特 性，DFB LD在长距离光纤 通信中表现出色，能够减 小信号衰减和干扰。
04
光栅刻写
利用干涉仪和反应离子束刻蚀等手段 ，在DFB LD芯片上刻写光栅结构， 控制好刻写的深度和周期性。
06
芯片切割与测试
将制造好的芯片进行切割、打标和测试，确保 其性能符合要求。
制造中的关键技术
01
02
03
外延生长技术
控制外延层的晶体质量和 厚度，是制造DFB LD的 关键技术之一。
光栅刻写技术
在光纤通信中，DFB LD用作发射器，将信息调制到激光光束上，通过光纤传输，实 现高速、大容量的数据传输。
DFB LD具有低噪声、高稳定性和长寿命等优点，能够提高光纤通信系统的性能和稳 定性。
激光雷达
激光雷达是利用激光束探测目标 并获取其位置、速度和形状等信 息的一种技术。DFB LD在激光
调Q光纤激光器结构示意图和MOPA光纤激光器结构示意图
调Q光纤激光器和普通的调Q激光器一样,都是在激光谐振腔内插入Q开关器件，通过周期性改变腔损耗，实现调Ｑ激光脉冲输出。
Ｑ开关是被广泛采用的产生短脉冲的激光技术之一.现状：调Q光纤激光器在许多领域都有着广泛应用，大功率是调Q光纤激光器的一个发展方向。
全光纤化也是调Ｑ光纤激光器发展的一个重要趋势，人们陆续研发出一些全光纤的Q开光来代替传统的声光与电光调制器，大大地降低了激光器的插入损失。
用于光纤激光器的调Ｑ技术大致可以分为光纤型调；和非光纤型调Ｑ两类。
非光纤型调Ｑ有光调Ｑ、电光调Ｑ、机械转镜调Ｑ和可饱和吸收体调Ｑ等。
非光纤型调Ｑ:1。
声光调Q激光器:2.电光调Q激光器：3。
可饱和吸收体调Q激光器：光纤型调Q装置光纤型调Q装置有光纤迈克尔逊干涉仪调Q、光纤马赫一曾特尔干涉仪调Q和光纤中的受激布里渊散射(ＳＢＳ）调Ｑ光纤激光器等。
下面介绍混合调Q和脉冲泵浦受激布里渊散射混合调Q光纤激光器。
混合调Q光纤激光器如图所示得到了峰值功率3。
7KW，脉宽2m的脉冲激光输出。
实验中选用掺钕双包层光纤作增益介质,光纤长7。
2m，纤芯直径5。
1um,数值孔径0.12。
内包层为矩形结构,截面尺寸150um＊75um。
泵源为800nm、3w激光二极管，有60%的泵光祸合到内包层中。
系统由一个全反镜和一个二向色镜构成驻波谐振腔。
在双包层光纤的输出端接几米长的单模光纤,实现调Q ，得到纳秒量级的激光脉冲.在腔内插人一声光调制器（AQM),使激光脉冲重复频率在6.6KHz-16。
4KHZ范围内可调。
脉冲泵浦和受激布里渊散射混合调Q ：在线形腔双包层光纤激光器中，用脉冲泵浦和SBS混合调Q .如图所示泵浦源为多模半导体激光器（LD），带有800um的输出尾纤，数值孔径0.2,输出中心波长975。
8nm ,有连续和脉冲两种运转方式.多模半导体激光器通过合适的光学藕合系统泵浦掺Yb 的双包层光纤。
增益光纤纤芯直径为7um，作为泵浦光通道的内包层为一矩形结构（125*125um)，外面涂一层硅橡胶作为外包层。
【半导体物理 精】半导体激光器
半导体激光器
• 半导体激光器是以半导体材料(主要是化合物半导体)作为工作物 质,以电流注入作为激励方式的一种激光器，又称半导体激光二极 管 （LD）
构成全固态激光系统。 • 10)高清晰度激光电视不久的将来,没有阴极射线管的半导体激光电视机可以投放市场,它利
用红、蓝、绿三色激光,估计其耗电量比现有的电视机低20%。
在医疗和生命科学研究方面的应用
• 1)激光手术治疗半导体激光已经用于软组织切除,组织接合、凝固和汽化。普通外科、 整形外科、皮肤科、泌尿科、妇产科等,均广泛地采用了这项技术。
自发光辐射和受激光辐射
• 自发光辐射（1）电子不受任何外界的作用而自发地从高能态E2 向 低能态E1跃迁并发射一个能量为（E2-E1）的光子，这些光子位相 和传播方向各不相同。（2）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，在结合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。
§2.6 光通信用半导体激光器
c ν m＝m 2nL
c ν m = ν m +1 ν m = 2nL
L：谐振腔长度， n：工作物质折射率， m：模阶数 窄谱线的单纵模激光器的设计思想： 使不同纵模具有不同的腔损耗，具有最低光腔损耗的纵模最 先达到阈值并成为支配模式，其它相邻模式由于高损耗而不能起 振。
单纵模激光器主要有： 分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflector, DBR）激光器 分布反馈（Distributed Feedback, DFB）激光器 耦合腔激光器 分布布拉格反射（DBR）激光器： 机理：通过内含布拉格光栅实现光的反馈。
E1’
量子阱激光器的优点： （1）阈值电流低 因能级分布窄，容易实现粒子数反转，阈值电流密度仅为同 尺寸普通双异质结激光器的1/3，并且与镜面反射率、腔长等有 关，短腔和高的端面反射率有利于降低阈值电流，阈值电流可以 达到1mA以下。 （2）线宽窄 导带中的电子主要聚集在E1能级上，价带中的空穴主要聚 ' 集在 E’1能级上，发射光子的能量为 hν = E1 E1 量子阱激光二极管(QW LD)是把一般双异质结(DH)激光二极 管的有源层厚度(d)做成数十纳米以下的结构。
分布反馈激光器： DFB激光器中没有集总反射的谐振腔反射镜，反射机构是分 布式的，反馈发生在整个光腔有源区长度上。一个在有源层和包 层之间的薄n型波导层作为光栅，波导层厚度的周期变化转化为模 折射率沿光腔长度的周期变化，然后通过布拉格反射导致正向和 反向传播的光波耦合。反射波具有增益。由于Bragg光栅的选频功 能使得它具有很好的单色性和方向性。而且，因为没有使用晶体 解理面作反射镜，使得它更容易集成化。
由于厚度的周期性变化形成波纹光栅，为受激辐射产生的光子 提供周期性的散射点。散射光只有在一定的条件下才能同相相加， 形成某一方向的主极强。所有散射光束满足同相相加的条件是
光纤激光器原理
光纤激光器原理
光纤激光器是一种使用半导体片作为基底，运用发光二极管材料将光转化为光束的激光器。
其原理是利用发光二极管片在外加一定偏压时，半导体片内部出现光子饱和效应而发射出强烈的尖峰光束，形成激光。
发光二极管片是由P型半导体和N型半导体组成的复合体，P 型半导体中的空穴梯度和N型半导体的电子梯度在此复合体中运动时会发生相互抵消的现象，因此可以为复合体的发光能量提供一个安全的保护环境。
当发光二极管片被施加电压时，空穴和电子就会向复合体中心汇集，复合体中心接近零偏压时会发生释放现象，导致光在复合体中心处释放出来。
光纤激光器可以分为峰值激光器、持续激光器和调制激光器三种类型。
峰值激光器是指一次发出一个单独的光脉冲来发射激光，其脉宽可调节脉冲发射频率；持续激光器是指把一条持续的常强光波束发射成一条脉冲的激光；调制激光器是指可以通过改变元件偏压来调节激光单元发射出来的光束的亮度。
光纤激光器的优点很多，它既可以用于局部加工，也可以用于远距离多模光栅传输，体积小，重量轻，不易受外界影响，持续发光能力强，能够发生脉冲激光，而且成本较低。
半导体激光器原理及结构设计1
➢相干性好
➢ 高亮度 由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通 光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。
子数Ne大于吸收的光子数Na。在热平衡状态被破坏的情况下，要引入导带
准费米能级EFn和价带准费米能级EFp：
1 fc(E)e(EEFn)/kBT1
fv(E)e(EEFp1)/kBT 1
进一步推导得到，为了实现电子数分布反转，则要求：
EFn- EFp> Ec- Ev= Eg
振荡放大过程
尽管开始时多个方向的波都 有，但终究有少量方向、频率、 相位与腔体所能容许的光波完全 一致，这一部分光波就会发生干 涉而加强，所对应的光子在腔内 共振，出现正反馈，使自发发射 过程转变为受激发射的过程。
激光介质的基本工作模式
激活介质的四能级系统：如上图（b）所示，E0为基态， E1 、E2 和E3为激发态，其中E2为亚稳态，E1和E3能级寿命很短。在泵浦作 用下，基态粒子被“抽运”到激发态E3上，E3态粒子极快地无辐射 跃迁到了亚稳态E2 能级，同时E1能级寿命也很短，其上粒子也极快 跃迁到了基态。而E2 态相对稳定，粒子寿命较长，因此很容易在E2 能级和E1能级间形成粒子数反转。
器件结构
解理面
P-N结
基本结构：pn结+谐振腔（抛光镜面或解理面围成的有源区）
实现激光输出必须满足的条件
电子的分布反转 振荡放大、有增益
电子数分布反转
在热平衡条件下，电子处于能量为E的状 态的几率f(E)由费米—狄拉克分热平衡条件下，电子基本处于价带，而导带几乎是空的。
半导体激光器
导带组成，如图(5-24)。
图(5-24) 本征半导体的能带
图(5-23) 固体的能带
同质结和异质结半导体激光器
• 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性，如图(5－29)所示。 阈值电流密度: 影响阈值的因素很多 方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。
半导体的能带和产生受激辐射的条件
在一个具有N个粒子相互作用的晶体中， 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、 每一个能级会分裂成为N个能级， 锗等，在绝对温度为零的理想 因此这彼此十分接近的N个能级好 状态下，能带由一个充满电子 象形成一个连续的带，称之为能带， 的价带和一个完全没有电子的 见图(5-23)。
p( E ) 1 exp(
1 E Ef kT
式中，k为波兹
)
曼常数，T为热
力 学 温 度 。 Ef 称为费米能级， 用来描述半导体
中各能级被电子
占据的状态。
PN结的特性
当P型半导体和N型半导体结合后，在它们之间就出 现了电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都要从 浓度高的地方向浓度底的地方扩散，扩散的结果 破坏了原来P区和N区的电中性，P区失去空穴留下 带负电的杂质离子，N区失去电子留下带正电的杂 质离子，由于物质结构的原因，它们不能任意移 动，形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。其 电场的方向由N指向P，称为内电场。该电场的方 向与多数载流子（P区的空穴和N区的电子）扩散 的方向相反，因而它对多数载流子的扩散有阻挡 作用，称为势垒。
在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向 性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模 光纤芯径小，数值孔于半导体的导带，价带都有一定的宽 度，所以复合发光的光子有较宽的能 量范围，因而产导体激光器的发射光 谱比固体激光器和气体激光器要宽。 半导体激光器的光谱随激励电流 而变化，当激励电流低于域值电流时， 发出的光是荧光。这时的光谱很宽， 其宽度常达百分之几微米。如图 (a) 所示。当电流增大到阈值时，发出的 光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增 加。这表明出现了 激光。其光谱
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半导体光纤激光器结构
半导体光纤激光器是一种将半导体激光器与光纤技术相结合的新型激光器。
它具有体积小、功率高、效率高、光束质量好等优点,在通信、工业加工、医疗和军事等领域有着广阔的应用前景。
1. 基本结构
半导体光纤激光器由半导体增益芯片、光纤增益介质和泵浦光源三部分组成。
其中,半导体增益芯片通常采用量子阱结构,可以实现高效率的光电转换;光纤增益介质通常采用掺有稀土离子(如Er3+、Yb3+等)的双包层光纤,用于提供增益;泵浦光源则负责为光纤增益介质提供泵浦能量。
2. 工作原理
半导体激光器产生的激光被耦合进入光纤增益介质,激发其中的稀土离子到高能态。
当稀土离子受到足够的泵浦能量时,就会发生受激辐射,产生与光纤共模相匹配的激光输出。
通过对半导体激光器、光纤结构和泵浦光源的优化设计,可以实现高功率、窄线宽、高光束质量的激光输出。
3. 关键技术
半导体光纤激光器的关键技术包括:高性能半导体增益芯片、高增益光纤材料、高效率光耦合技术、热管理技术等。
其中,光耦合技术对于实现高效率的激光输出至关重要,通常采用夹芯球面透镜或晶圆级封装等方式来提高耦合效率。
半导体光纤激光器凭借其独特的结构优势,在许多领域展现出广阔的应用前景,是未来激光技术的一个重要发展方向。