半导体激光器
半导体激光器的优点
半导体激光器的优点引言半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的装置。
由于其独特的结构和物理特性，半导体激光器在众多领域中展现出了重要的优势。
本文将重点介绍半导体激光器的优点，并探讨其在科学研究、医学、通信和制造业等方面的应用。
优点一：体积小、功耗低相较于其他激光器类型，半导体激光器具有明显的体积小、功耗低的优点。
其制造过程相对简单，可以实现高度集成和微小尺寸，节省了宝贵的空间。
此外，由于半导体激光器使用的低功率电流，其功耗远低于其他激光器类型，从而能够降低使用成本并延长电池寿命。
优点二：高效率、高可靠性半导体激光器在能量转换方面表现出色。
相较于其他激光器类型，如气体激光器或固体激光器，半导体激光器的光电转换效率更高，能将更多的电能转化为光能。
这使得半导体激光器能够在低功率输入下输出高强度的激光。
此外，半导体激光器的可靠性也很高，寿命长，运行稳定，不容易损坏，不需要频繁的维护，节省了维修和更换的成本。
优点三：波长可调、频率可调半导体激光器具有波长可调和频率可调的优点，这使得其在科学研究和通信领域具有广泛的应用潜力。
通过调整材料组成、温度或电流等参数，可以实现半导体激光器输出激光的波长和频率的可调控。
这一特点使得半导体激光器能够用于光纤通信、光谱分析、光学测量和生物医学等领域，满足不同应用需求。
优点四：快速开关和调制性能强半导体激光器具有快速开关和调制性能强的优点。
由于激光的速度非常快，半导体激光器能够实现亚纳秒级的快速开关，这对于光通信和高速计算等应用非常重要。
此外，半导体激光器具有良好的调制性能，能够频繁地开关和调节激光的输出强度和频率。
这种可调性使得半导体激光器能够满足高速信号传输和光学存储等领域的需求。
优点五：可靠工作在极端环境下由于其固态结构和高可靠性，半导体激光器可以在极端环境下可靠工作。
与气体激光器相比，半导体激光器不需要依赖高压气体或玻璃管等易损部件来工作，从而能够在高温、低温、高压和高湿度等恶劣环境下正常运行。
半导体激光工作原理
半导体激光工作原理
半导体激光器是利用电子从低能级跃迁到高能级时所产生的光，由于高能级的电子数比低能级的多得多，因此光在自由电子激光中辐射的能量是很大的。
半导体激光器主要由激光器、增益介质和泵浦光源组成。
半导体激光器的增益介质主要有三种：有源区、波导、吸收腔。
其中以有源区为主要部分，其形状和材料各不相同。
激光器有源区是由金属原子构成的半导体，它是激光系统中唯一能把光能转变成机械能和化学能的部分，也是影响激光特性的重要因素之一。
有源区还起着将泵浦光源发射出来的光（指激光器内部发射出来的光）与增益介质中传输过来的光（指增益介质发射出来的光）相互耦合、吸收和转换，再由有源区发射出来的光辐射出激光器内部。
由于有源区在整个半导体激光器中起着非常重要作用，因此在选择激光器有源区时必须考虑有源区和有源区内材料的成分、尺寸和形状，使它们相互匹配，这样才能达到最佳性能。
增益介质又叫受激辐射层或吸收层。
—— 1 —1 —。
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 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。
半导体激光器和发光二极管
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
半导体激光器特点
半导体激光器特点
半导体激光器（Also known as semiconductor laser）是一种基于半导体材料工作的激光器。
它具有以下特点：
1. 小型化：半导体激光器的体积小，重量轻，可以方便地集成在各种设备中，如光纤通信、激光打印机、激光读写光驱等。
2. 高效率：半导体激光器的电-光转换效率高，能将输入的电能高效地转化为光能，相对于其他类型的激光器有更低的功耗和更高的功率输出。
3. 长寿命：半导体激光器具有较长的工作寿命，能够持续稳定地工作数千小时甚至更长时间。
4. 快速响应：半导体激光器的开关速度较快，可以在纳秒级别进行调制和调制解调，适用于高速光通信和光存储等领域。
5. 容易调谐：半导体激光器具有较宽的工作波长范围，通过改变电流、温度和施加外界的光学调制，可以实现对激光波长的调谐。
6. 相干性：半导体激光器的输出是相干光，光束质量高，光束模式稳定，光学特性优异。
7. 低成本：由于半导体激光器制造工艺成熟，成本较低，容易大规模生产，因此价格相对较低。
总的来说，半导体激光器的小型化、高效率、长寿命和容易调谐等特点，使其成为广泛应用于通信、医疗、材料加工、生物科学等领域的重要激光器。
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。
半导体激光器特点
半导体激光器特点半导体激光器是一种利用半导体材料产生和放大光的器件。
它具有以下几个主要特点。
第一，半导体激光器的体积小。
相比于其他类型的激光器，半导体激光器的结构简单，体积小巧。
这使得半导体激光器可以方便地集成在各种设备中，如激光打印机、光纤通信系统和光存储器等。
第二，半导体激光器的效率高。
半导体材料的能带结构决定了激光器的发光过程可以在能带间直接进行，使得能量转换效率较高。
此外，半导体激光器还可以通过外部注入电流的方式工作，电-光转换效率高达30%以上。
第三，半导体激光器的功耗低。
由于其高效的电-光转换特性，半导体激光器相比其他类型的激光器具有更低的功耗。
这使得半导体激光器在便携式电子设备、光纤通信和激光雷达等领域得到广泛应用。
第四，半导体激光器的工作温度范围宽。
半导体材料的导电性能随温度的变化非常敏感，但半导体激光器可以在较宽的温度范围内稳定工作。
这使得半导体激光器适用于各种环境条件下的应用。
第五，半导体激光器的调制速度快。
半导体材料中的载流子响应速度较快，使得半导体激光器能够实现高速调制。
这使得半导体激光器在光通信和激光雷达等领域中得到广泛应用，可以实现高速数据传输和高精度测距。
第六，半导体激光器的波长范围广。
通过选择不同的半导体材料和器件结构，可以实现不同波长的激光输出。
目前，半导体激光器的波长范围从红外到紫外都有覆盖，可以满足不同应用的需求。
半导体激光器具有体积小、效率高、功耗低、工作温度范围宽、调制速度快和波长范围广等特点。
这些特点使得半导体激光器在各种领域得到广泛应用，推动了光电子技术的发展。
随着技术的不断进步，半导体激光器将继续发挥重要作用，为人们的生活和工作带来更多便利和创新。
半导体光纤激光器结构
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。
半导体激光器的原理
半导体激光器的原理
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光发射器件，它利用半导体材料的特殊性质，通过有源区的电子与空穴复合放出能量，并通过反馈机制实现激光放大，最终产生高度定向、单色、高亮度的激光光束。
半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高、寿命长等优点，广泛应用于通信、医疗、激光显示、光存储等领域。
1.载流子注入：半导体材料中，通过向有源区施加正向电流，将电子从N型区注入到P型区，同时也将空穴从P型区注入到N型区。
这样，在P-N结附近的区域形成了一个载流子密度梯度，使电子和空穴在这个区域中保持对流运动。
2.电流与光的转换：在载流子注入过程中，由于电子和空穴在有源区发生复合，使得已被注入的能量以光子的形式释放出来。
这个释放过程是一个自发辐射过程，即电子和空穴转变为更低能级的状态，并以光子的形式释放出能量。
3.光放大：通过在有源区搭建一个光学谐振腔，即在有源区两端分别加上高反射率和低反射率的镜片，可以实现光的反复放大。
光子在谐振腔内来回反射，与有源区的载流子发生相互作用，使得激光得以不断放大。
4.光反馈：为了增强激光放大效果，通常还需要在谐振腔之外加入一个光学元件，如光纤光栅或光栅耦合镜，用于反馈一部分放大的光。
这种反馈机制可以抑制非激光模式的增长，只放大所需的激光模式，从而增加光的一致性和亮度。
总结起来，半导体激光器的原理可以概括为：通过正向电流使电子和空穴注入有源区，在注入的过程中电子和空穴发生复合，释放能量以光子
的形式；通过谐振腔和光反馈机制，实现激光的放大和增强。
这样，半导体激光器就能产生高亮度、高单色性和高定向性的激光束，具有广泛的应用前景。
半导体激光器工作原理和基本结构
半导体激光器与固体激光器旳比较
半导体激光器和固体激光器都是以固体激光材料作为工作物质旳激光器 ； 半导体激光器是电鼓励，直接把电能转化为光能，转换效率高达50%以上。固体激光器是光
鼓励，激活粒子需要吸收光能，然后产生受激振荡；半导体泵浦转化效率一般在15%左右， 灯泵浦鼓励一般在4%左右。 半导体激光器旳主要特点是:体积小、重量轻；功率转换效率高；能够经过变化温度、掺杂量、 磁场、压力等实现调谐；其缺陷是激光旳发散角较大，单色性较差，输出功率亦较小。目前 新型旳半导体激光器已经能够到达较大旳输出功率，而为了得到更大旳输出功率，一般能够 将许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵，即在同一片已做好旳P一N结旳 基片上，用光刻腐蚀措施提成好几种单个器件，或将许多单个激光器排列成一定形状，然后 将它们并联或串联起来。目前已经有100WQCW线阵和s000WQCW叠阵(波长780~815五m)旳 产品上市。 固体激光器可作大能量和高功率相干光源。红宝石脉冲固体激光器旳输出能量可达千焦耳级。 经调Q和多级放大旳钕玻璃激光系统旳最高脉冲功率达10瓦。钇铝石榴石连续激光器旳输出 功率达百瓦级，多级串接可达千瓦。固体激光器利用Q开关技术(电光调制)， 固体激光器能 够得到纳秒至百纳秒级旳短脉冲，采用锁模技术可得到皮秒至百皮秒量级旳超短脉冲。因为 工作物质旳光学不均匀性等原因，一般固体激光器旳输出为多模。若选用光学均匀性好旳工 作物质和采用精心设计谐振腔等技术措施，可得到光束发散角接近衍射极限旳基横模(TEM00) 激光，还可取得单纵模激光。
半导体激光器旳应用
• 在医疗和生命科学研究方面应用：
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、凝固和气化。一般外科、整形外科、皮肤 科、泌尿科、妇产科等； 2. 激光动力学治疗。将对肿瘤有亲合性旳光敏物质有 选择旳汇集于癌组织内，经过半导体激光照射使癌组 织产生活性氧，旨在使其坏死而对健康组织毫无损害； 3. 生命科学研究。使用半导体激光旳“光镊”，能够 捕获活细胞或染色体并移至任意位置，已经用于增进 细胞合成、细胞相互作用等研究。
半导体激光器原理
半导体激光器原理
半导体激光器是利用半导体材料的特性产生激光束的一种器件。
它的工作原理基于半导体材料中电子能级的跃迁。
在激光器中，通常使用的半导体材料是由两种不同掺杂类型的半导体材料构成的PN结。
当外加电压施加在PN结上时，电
子从N区域流向P区域，而空穴则从P区域流向N区域。
当
电子和空穴在PN结的交界处重新结合时，会释放出能量。
这
能量释放的过程就是激光产生的基础。
在半导体材料中，能带结构可以分为价带和导带。
当材料处于基态时，电子填充在价带中，但是通过提供适当的能量，电子可以跃迁到导带中。
这个过程被称为光激发或电子激发。
在半导体激光器中，通过施加电压，使准确能量的电子跃迁至导带。
这个过程被称为激子的形成。
当电子从激子态跃迁回到基态时，会释放出光子。
这些光子经过多次反射和放大（通过增强光程），形成了强大的激光束。
为了增强激光的一致性和方向性，半导体激光器通常使用谐振腔。
谐振腔由两个反射镜构成，使得光以特定波长的形式在激光器内部反射。
其中一个反射镜是高反射镜，具有非常高的反射率，而另一个镜子是半透射镜，只有一小部分光能透过。
通过调节激光器的驱动电流和温度等参数，可以控制激光的频率和输出功率。
半导体激光器可以广泛应用于通信、医疗、制造和科学研究等领域。
半导体激光器实验报告
一、实验目的1. 熟悉半导体激光器的基本结构和工作原理。
2. 掌握半导体激光器的电学特性、光学特性及其调节方法。
3. 通过实验了解半导体激光器在光电子技术方面的应用。
4. 学习使用WGD6光学多道分析器等实验仪器。
二、实验原理半导体激光器是一种基于半导体的电致发光效应的激光器。
当电流通过p型和n型半导体材料形成的pn结时，电子和空穴在pn结的活性区内复合，释放出能量，产生光子。
这些光子在谐振腔中多次反射和放大，最终形成具有特定波长、相位和方向性的激光输出。
半导体激光器的主要结构包括：半导体材料、pn结、谐振腔、光学元件等。
其中，半导体材料是激光器的核心部分，决定了激光器的波长、功率和效率。
pn结是半导体激光器的能量源，谐振腔是激光器的放大器，光学元件则用于调节激光器的光路。
三、实验仪器与材料1. 半导体激光器及可调电源2. WGD6型光学多道分析器3. 可旋转偏振片4. 旋转台5. 多功能光学升降台6. 光功率指示仪四、实验步骤1. 连接仪器：将半导体激光器、可调电源、WGD6型光学多道分析器、可旋转偏振片、旋转台、多功能光学升降台和光功率指示仪连接好。
2. 调节激光器：调整可调电源，使激光器工作在阈值电流附近。
观察激光器输出光斑，调整激光器的光路，使光斑最小化。
3. 测量电学特性：记录激光器在不同电流下的输出功率，分析激光器的电学特性。
4. 测量光学特性：使用WGD6型光学多道分析器测量激光器的光谱特性，分析激光器的光学特性。
5. 调节光路：通过旋转偏振片和旋转台，观察激光器的输出光斑，调整光路，使光斑最小化。
6. 观察应用：观察激光器在光电子技术方面的应用，如光纤通信、激光雷达等。
五、实验结果与分析1. 电学特性：实验结果显示，随着电流的增加，激光器的输出功率逐渐增加，但在阈值电流附近，输出功率增加速率最快。
这表明半导体激光器具有饱和特性。
2. 光学特性：实验结果显示，激光器的光谱线为单色线，且光斑最小化。
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
半导体激光器的分类
半导体激光器的分类半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的装置。
它具有体积小、功率高、效率高、寿命长等优点，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
根据其工作原理和结构特点的不同，可以将半导体激光器分为以下几类：1. 二极管激光器（LD）二极管激光器是最常见的半导体激光器类型之一。
它是通过注入电流到二极管中，使其产生激光辐射。
二极管激光器具有体积小、功率密度高、效率高等优点，广泛应用于光纤通信、激光打印、激光雷达等领域。
根据工作原理的不同，二极管激光器又可以分为以下几类：•直接泵浦激光器（Direct Pumped Laser Diode，DPLD）：通过电流直接激发半导体材料产生激光。
这种激光器通常具有较高的功率和较宽的工作频率范围。
•共振腔激光器（Resonator Laser Diode，RLD）：在二极管激光器的两端加上反射镜，构成一个光学共振腔。
通过选择合适的反射镜，可以实现激光的单模或多模输出。
2. 半导体光放大器（SOA）半导体光放大器是一种利用半导体材料增强光信号强度的装置。
它与二极管激光器结构相似，但工作在低注入电流下，不产生激射器。
半导体光放大器具有宽带宽、低噪声、快速响应等优点，广泛应用于光纤通信、光网络等领域。
3. 垂直腔面发射激光器（VCSEL）垂直腔面发射激光器是一种在半导体材料中形成垂直共振腔结构的激光器。
它是通过在半导体材料上增加光学反射镜而实现的。
VCSEL具有发射光束近乎垂直、低阈值电流、高速调制等特点，广泛应用于光纤通信、光存储、光雷达等领域。
4. 外腔激光二极管（ECL）外腔激光二极管是一种将带有光纤输出的半导体激光器。
它利用光纤与半导体激光器之间的耦合结构，将激光输出到光纤中。
ECL具有高度集成、输出功率稳定、光谱纯净等优点，广泛应用于光纤通信、传感器等领域。
5. 量子阱激光器（QL）量子阱激光器是一种利用半导体量子阱结构产生激射器的激光器。
它采用了由狭窄能隙材料构成的量子阱，可以有效地抑制激发态的非辐射复合，从而提高激光器的效率。
半导体激光器工作原理
半导体激光器工作原理半导体激光器，这玩意儿听起来是不是挺高大上的？但别被它的名字吓到，其实理解起来也没那么难。
我记得有一次，我在一个电子设备工厂参观，正好看到工程师们在调试一批半导体激光器。
那场景，就像是一群魔法师在摆弄神秘的魔法棒。
他们专注的神情，手里的工具不断调整着各种参数，让我对半导体激光器充满了好奇。
咱们先来说说半导体激光器到底是个啥。
简单来说，它就是一种能发出激光的半导体器件。
那它是怎么工作的呢？这就得从半导体的特性说起啦。
半导体材料，就像是个有点“纠结”的家伙。
它里面的电子，不像在导体里那样能自由自在地乱跑，也不像在绝缘体里那样被死死困住。
在特定的条件下，通过施加电流或者其他方式的激励，就能让这些电子“兴奋”起来。
想象一下，半导体就像是一个大操场，电子是操场上的小朋友。
正常情况下，小朋友们都乖乖地待在自己的位置。
但当我们给这个操场来点“刺激”，比如打开音乐或者举办有趣的活动，小朋友们就兴奋起来，开始到处跑啦。
在半导体激光器中，当我们给半导体材料施加足够的电流或者电压时，电子就会从低能态跃迁到高能态。
这个过程就像是小朋友们一下子跑到了操场的高处。
但是，这些处于高能态的电子可不安分，它们很快又会回到低能态。
在这个回落的过程中，就会释放出能量，也就是光子。
这就像是小朋友们从高处跳下来，会产生一些力量。
不过，要想形成激光，可没这么简单。
这些光子得有组织、有纪律地跑出来才行。
这时候，半导体激光器的结构就发挥作用啦。
它通常有一个叫做“谐振腔”的结构，就像是给光子们修了一条专门的跑道。
光子在这个跑道里来回反射，不断增强，最终形成一束强大的、方向性很好的激光。
你可以把这个谐振腔想象成一个长长的回音壁。
你在一头喊一声，声音会在墙壁之间来回反射，变得越来越响亮。
光子在谐振腔里也是这样，来回跑，不断加强。
而且哦，半导体激光器的优点可不少。
它体积小，就像一个小巧玲珑的精灵，不占地方。
效率还高，就像一个精力充沛的运动员，干活儿不累。
半导体激光器类型
半导体激光器有多种类型，具体包括：
1. 电注入式半导体激光器：通常由砷化镓、硫化镉、磷化铟、硫化锌等材料制成，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。
2. 光泵式半导体激光器：通常用N型或P型半导体单晶（如GaAS、InAs、InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。
3. 高能电子束激励式半导体激光器：通常也是用N型或者P型半导体单晶（如PbS、CdS、ZhO等）做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。
此外，半导体激光器还可分为垂直腔面发射激光器（VCSEL）、法布里-珀罗激光器（FP）、分布式反馈激光器（DFB）、电吸收调制激光器（EML）等。
不同类型的激光器在性能和成本等方面存在差异，光模块可根据具体规格要求选择不同的芯片方案。
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第六章 半导体激光器§6.1 半导体能带结构导带，价带，禁带导带中电子的能量： E c (k)= E c +k 22/2m e价带中电子的能量： E v (k)= E v -k 22/2m h禁带宽度 E g = E c - E v本征半导体和掺杂半导体：掺杂大大提高载流子浓度，n 型半导体和p 型半导体 热平衡时，电子填充能级E 的几率由费米-狄拉克分布函数决定：)exp(11),(kTE E T E f F−+=E 为费米能级，掺杂不同，掺杂程度不同，费米能级的位置也不同.F 能量一定的自由电子对应无数的动量p，可以求电子在能带中的态密度。
一个电子的态由相空间的体积元决定。
设电子在体积V 内，其动量在范围内，则它在相空间所占体积为。
单位体积动量在此区段的电子态数目为3h p V =ΔΔdp p p +,dp p V 24π32/42)(h dp p dp p g dn π⋅==式中因子2是考虑电子有二个自旋态。
由dE E g dp p g )()(=，利用电子可得电子在能带中的态密度m p E 2/2= 2/12/322)2(21)(E m Eπρ=上式中对导带和价带电子用各自的有效质量,能量起点分别用各自的带底或带顶.由)(),,(E T E f ρ便可决定载流子的密度.简并半导体和非简并半导体§6. 2 准费米能级当用某种方法将电子由价带激发到导带,在价带中将留有空穴.电子和空穴将在半导体内自由运动,由于碰撞它们会复合.但在复合以前由于它们之间以及它们与晶格的碰撞,这些载流子将按能级重新分布.这时是在非热平衡条件下，费米能级没有意义.但由于电子(空穴)在导带(价带)内碰撞弛豫很快,可以认为 电子在导带内和在价带内各自形成准费米分布,即各用一个准费密能级来表征,导带：)exp(11),(kTE E T E f FCc −+=价带：)exp(11),(kTE E T E f FVV −+=E ,E 是准费米能级. 它与受激发的局部空间载流子偏离热平衡分布程度有关，且随载流子浓度而变.FC FV 设导带中电子的准费米分布为,它的态密度是 ),(T E f c 2/12/322)(2(21)(g e E E m E g −=π 这里设价带顶为能量零点，则电子密度可表示为∫∞=gE ce dE T E fE g N ),()(将能量坐标平移g E E E −=′,并令kT E kT E FC FC /,/=′=εε,则2/320)/2(2)exp(12h kT m N d N N e c FC ce πεεεεπ=−+=∫∞(1) 由此得导带中准费密能级与电子密度的关系(即只是的函数)由(a)表示.kT E FC /c e N N /对价带中的空穴,其几率分布为]/)exp[(11]/)exp[(1111)()(kT E E kT E E f f FV FV e V h V −+=−+−=−=式中E 是电子的能量坐标(以价带顶为零点,向上为正),如果换成空穴的能量坐标,则E E −=′,(以价带顶为零点,向下为正)则上述分布可写成]/)exp[(11),()(kT E E T E f FV h V ′−′+=′空穴的态密度 2/12/322)2(21)(E m E g h h ′=′π 所以价带中空穴数密度E d T E f E g N h V h h ′′′=∫∞),()()(0作代换kT E kT E FVFV /,/′=′=εε,上式成 2/32)/2(2)exp(12h kT m N d N N h V FV Vh πεεεεπ=−+=∫ (2)比较(1)(2)可见,两者形式一样.所不同只是(1)中参数将c 换成V,故曲线仍以(a)表示.[例] GaAs 其电子和空穴质量分别为K T m m m m h e 300,46.0,067.000===时算得.(是自由电子质量)若给出载流子密度便可画出曲线如图(b)3182/33171041.7)/(,1012.4−−×==×=cm N m m N cm N c e h V c 0m§6.3 半导体内的辐射过程⑴载流子产生和复合：辐射跃迁和无辐射跃迁直接带隙半导体和间接带隙半导体. 前者在辐射跃迁中电子波矢不变,后者在辐射跃迁中因有声子参与, 电子波矢要改变. 前者的跃迁几率远大于后者,故半导体激光采用直接带隙半导体, 如GaAs 而不用Si, Ge 等.⑵半导体中的光过程包括自发辐射，受激辐射和吸收 定义自发辐射的速率为单位时间单位体积,光子能量为hν时，单位频段的跃迁几率为[]),(1),()(1221T E f T E f A r v c sp −=ν同样分别定义受激辐射速率和吸收速率为 [])(),(1),()(122121νρνT E f T E f B r v c −=[])(),(1),()(211212νρνT E f T E f B r c v −=式中 A,B 为爱因斯坦系数. 由热力学平衡情形可得BB B c h B A ===21123338ηνπ ⑶光放大的条件： )()(1221ννr r >将准费米分布公式代入上式，得12E E E E FV FC−>−即准费米能级的间距要大于光子能量. 光子能量应大于能隙，故有 g FV FCE h E E >>−ν这就是布居数反转条件.§6.4 吸收系数和增益系数由量子力学可以求得爱因斯坦系数B 与微观量的关系,它是)()()2(22202/142/320212νηεπωηπεh g p E m p B cv cv g r cv=−=式中是偶极矩阵元.叫做联合态密度cv cv x e p ><=)(E g cv 2/12/322)(221)(g r cvE E m E g −⎟⎠⎞⎜⎝⎛= π)/(v c v c r m m m m m +=是电子的约化质量。
此外还有B 12=B 21.⑴ 计算吸收系数. 设输入为单色光，则它的谱功率密度是)()(ννδρνρν−′=′，所以对单色光的吸收速率是νρνν)],(1)[,()(2112T E f T E f B d r r c v ab ab −=′′=∫由定义对单色光的吸收系数α 为cdt d c dt dI I dz dI I ηρρηαννννννν111−=−=−=式中因吸收导致光能密度的减少率为ωρν ab r dt d =−/，故有)],(1)[,(/2112T E f T E f B cc r c v ab −==ωηηρωανν 式中要求. 同样也可定义受激辐射系数0,12=Δ>=−k E h E E g ν)],(1)[,(/1221T E f T E f B c c r v c st −==ωηηρωβνν因此净吸收系数)],(),([)(2112T E f T E f B cc v net −=−=ωηβανανν式中 应该满足21,E E 0,12=Δ=−k h E E ν。
利用的微观公式净吸收系数可写成12B302/32212/12)2()],(),([)()( ηπεωνναc m p K T E f T E f E h K r cv c v g net =−−=在绝对零度时, 这时的净吸收系数叫零温吸收系数.0,1==c v f f2/10)()(g net E h K −=ννα它是半导体对频率为ν 的光的最大吸收系数. 所以0≠T 时净吸收系数可表示成)],(),()[()(210T E f T E f c v net net −=νανα净吸收系数与载流子密度有关，它隐含在因子),(),(21T E f T E f c v −中。
[例] GaAs, 已知,1037.5059.0,067.0,46.0,424.132000kg m m m m m m ev E r c v g −×==∴===偶极矩阵元p cv =0.68×10-25 Cm . 光频,相应折射率η=3.64 算得.αHzh E g 141043.3/×=≈ν2/11)(19760−−=eV cm K 0 与h ν 的关系见图(a).当h ν超过能隙仅10meV 时,零温度吸收系数已达很大值(约2000 cm -1) .⑵计算增益系数)],(),([)()(1212T E f T E f B cg v c net −=−=ωηναν或者)],(),([)(220T E f T E f g v c net −=αν增益系数与载流子密度有关，它隐含在因子),(),(21T E f T E f c v −中。
可见要增益系数g(ν)>0,则须FV FC v c E E E E E f E f −<−∴>−1212,0)()(。
这就是前面已得的布居数反转条件.而要达到此条件，必须通过泵浦使得载流子密度达到足够的值。
在增益系数表示式中, 零温吸收系数, 增益系数与温度和激发的关系包含在因子中.温度增大,)(0ναnet )],(),([12T E f T E f v c −F E Δ不变,但费米函数的过渡区加宽,使增益系数最大值下降.激发加大。
如果能带的载流子数增加,则 F E Δ加大, 增益系数最大值增大,且有蓝移. 注意载流子密度一定时增益谱有一定的带宽，光子频率超过一定的值，增益转变成吸收。
实用中增益系数与载流子密度的关系常取线性近似，即)(),(tr d N N a n g −=νtr N 是使介质透明时的载流子密度，叫微分增益系数，它是物质的参数也和温度有关。
d a [例1] GaAs 的能隙为ev E g 424.1=.已知注入的载流子密度,求以及相应的净增益带宽.318),(106.1−×=cm N h e FV FC E E ,由§5.2图(b)查得,后者换成电子坐标得. 增益带宽kT E ev kT E FV FC 45.1,1007.635.22−=×==−ev kT E FV 21075.345.1−×==h E E h E h E E E FV FC g FV g FC /)(//)(−=−−+=Δν所以以波数表示则为 ,1061.512Hz ×=Δν11.187~−=Δcm ν[例2] 上例当跃迁能量超过带隙0.45kT 时,求上下能级的能量.12,E E 由公式 22222,2k m E k m E E h e g −=+= (统一能量坐标)kT m m k E E E he g 45.011(2)(2212=+=−−∴若分别以导带底和价带顶计算则 ,45.012kT E E =+但是866.6//12==e h m m E E ,故kT E kT E 0572.0,392.012==或 kT E 0572.01−=(统一能量坐标)[例3] 已知GaAs 的零温度吸收系数与0net α)(g E E −的关系曲线,,求当注入的载流子密度,光子能量超过带隙0.45kT 时,增益系数是多大.318106.1−×=cm N计算 , 由吸收曲线查得.为求增益由公式 ,由例1,例2,都已求出 故mev kT E E g 1245.0≅=−13108.1−×=cm o net α)],(),([12T E f T E f g V c onet −=α12,,,E E E E FV Fc 8186.0]/)exp[(11),(877.0]/)exp[(11),(1122=−+==−+=kT E E T E f kT E E T E f FV V Fc c故有增益系数为1105−=cm g §6.5 半导体二极管激光器一般做成p n 结的结构，通过向结中注入载流子并由净受激辐射，产生光放大 一、同质结激光器采用双简并半导体做成p n结，加正向偏压V a ≈E g / e ，在激活区产生光放大.谐振腔镜面常用晶体的解理面.室温下为脉冲方式二、异质结激光器流行采用双异质结p-i-n 结构, 注入的载流子被限制在势垒中，光子被限制在介质光波导中，有利于降低阈值。