半导体激光器参数3综述
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半导体激光器参数3
半导体激光器参数3
阵列和单元器件快轴方向上光束质量一致； 阵列慢轴方向上光源区越薄，发散角越大，衍射极限矛盾？ 大功率半导体激光器快轴方向N.A.>0.6
半导体激光器参数3
N.A.=nsin
•高数值孔径要求使用高 折射率材料 •难点：非球面微柱透镜 的加工
•光束质量表征光束的可汇聚程度 •光参积是一个不变量
半导体激光器参数3
激光头工作距离 ≥100mm
M2值增大 焦点增大
对光束质量提出要求
半导体激光器参数3
输入光束的光斑半径要小于光纤芯径
din dcore
发散角（全角）要小于光纤数值孔径的反 正弦的2倍
in2arcsNi.nA.() N.A.=0.22 < 25.4°
diode laser
fast- & slow axis
collimation
spatial multiplexing
spatial multiplexing
polarization multiplex.
wavelength multiplex.
wavelength multiplexing
1
2
3
半导体激光器参数3
半导体激光器参数3
缺点：
•介质中光程长，有一定吸收，晶体需要良好冷却
•入射角有一定限制
•晶体占据一定空间
No=1.658，Ne=1.486
半导体激光器参数3
4种波长光束耦合， BPP不变，功率提高4倍， 等效提高光束质量4倍
半导体激光器参数3
polarizat ion mult iplexing
半导体激光器参数3
椭球面方程
半导体激光器参数3
半导体激光器主要性能参数定义
半导体激光器1．P-I 特性及阈值电流P-I特性揭示了LD输出光功率与注入电流之间的变化规律，因此是LD最重要的特性之一。
典型的激光器P-I曲线由P-I曲线可知，LD是阈值型器件，随注入电流的不同而经历了几个典型阶段。
•当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，LD发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于一般的发光二极管。
•随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，LD发射的仅仅是较强的荧光，称为“超辐射”状态。
• 只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光，光谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。
2．激光器线宽半导体的激光器的线宽是多少？有的用nm 表示，有的用Hz 表示，计算公式是什么？经常会提到激光器的线宽<0.0001 nm 换算成“Hz”是多少赫兹啊？线宽即为激光某一单独模式的光谱宽度，一般表达形式：nm ，Hz ，cm-1。
该参数与激光本身的波长由关系。
例：比如波长为1064nm, 线宽0.1nm ，则换算为Hz 单位：GHz v 5.261065.21.010641010310298=⨯=⨯⨯⨯=∆3. 边模抑制比（SSR ） 边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出功率和规定的调制（或CW ）时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。
边模抑制比示意图4.振荡腔HR AR谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。
凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外; 沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。
为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。
半导体激光器资料
半导体激光器资料半导体激光器（Semiconductor Laser）是一种利用半导体材料发射激光的装置。
该装置被广泛应用于通信、医学、材料加工等领域，是20世纪最重要的科技创新之一、本文将介绍半导体激光器的原理、结构、性能及应用。
半导体激光器的工作原理主要是电子复合：当电流通过半导体器件时，正电子与负电子之间发生复合的现象，释放出能量。
这种能量释放通过光的形式，即激光。
与其他类型的激光器不同，半导体激光器的工作原理是基于半导体材料的直接能带结构，可以利用半导体材料的电学性质来控制激光的特性。
半导体激光器通常由以下几个基本部分组成：激活材料、泵浦源、光学腔、输出镜和电流注入结构。
半导体激光器的激活材料一般是由III-V族元素化合物半导体材料构成，如氮化镓（GaN）、磷化铟（InP）等。
泵浦源通常是电流或光，其作用是提供能量给激活材料。
光学腔是由两个平行的半反射镜组成，通过反射来放大光强。
输出镜是腔外的一面镜子，用于将激光从腔中引出。
电流注入结构是用来提供电流给激活材料。
半导体激光器具有许多优点，如体积小、能耗低、效率高、寿命长等。
其小巧的体积使得半导体激光器可以集成到复杂的系统中，例如通信设备中的激光二极管。
能耗低意味着半导体激光器可以在电池供电的移动设备中使用，并且不会过度消耗电能。
高效率使得半导体激光器可以更好地利用能量，输出更强的激光功率。
寿命长意味着半导体激光器的使用寿命较长，不需要频繁更换，从而降低了维护成本。
半导体激光器具有广泛的应用，其中最重要的一项是通信。
半导体激光器可以通过光纤传输大量的数据，提供高速、高带宽的通信。
此外，半导体激光器还可以用于激光打印机、医学设备、材料加工等领域。
例如，半导体激光器可以用于激光雷达、激光治疗器和激光切割机等设备中。
总之，半导体激光器是一种重要的光源装置，具有广泛的应用前景。
通过利用半导体材料的电学性质，可以控制激光的特性，使其具有小巧、高效、长寿命的特点。
半导体激光器LD综述
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足一定的电流阈值条件
天津大学电子信息工程学院 School of Electronic Information Engineering
半导体激光器
朱守奎 ，马小品 2014年11月7日
一、简单介绍
1. 激光：英文LASER是Light Amplification by Stimulated Emission
三、半导体激光器的一般构成
光反馈装置 输出光 有源区 频率选择元件 光波导
LD的通用结构 构成部分： 1.有源区 有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。 2.光反馈装置 在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。 3.频率选择元件 用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。 4.光波导 用于对所产生的光波在器件内部进行引导。
4.应用：在光纤通信、激光唱片、光存储、全息照相、数码显示，激光打印，
激光测距、医疗军事等领域得到广泛的应用。在光信息处理、光计算等新领 域也将发挥重要的作用。
二、半导体激光器的工作原理
1.受激吸收：在电流或光作用下，价带中的电子获得能量跃迁的导
带中，在价带中留下一个空穴，称为受激吸收。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，即要求必须满足一定的电流阈值条件。
B 输出的波长为：源自2 B2ne Le(m 1 / 2) m是纵模的阶数
谢谢
E2 E1
hv
E2 hv E1
hv hv
(b) 自发辐射：非相干光
(c) 受激辐射：相干光
3.激光的产生：
当在半导体中实现粒子数反转，使得受激辐射大于受激吸收，使得光增益大于光损耗，就 可产生激光。
天津大学电子信息工程学院 School of Electronic Information Engineering
半导体激光器
朱守奎 ，马小品 2014年11月7日
一、简单介绍
1. 激光：英文LASER是Light Amplification by Stimulated Emission
三、半导体激光器的一般构成
光反馈装置 输出光 有源区 频率选择元件 光波导
LD的通用结构 构成部分： 1.有源区 有源区是实现粒子数反转分布、有光增益的区域。 2.光反馈装置 在光学谐振腔内提供必要的正反馈以促进激光振荡。 3.频率选择元件 用来选择由光反馈装置决定的所有纵模中的一个模式。 4.光波导 用于对所产生的光波在器件内部进行引导。
4.应用：在光纤通信、激光唱片、光存储、全息照相、数码显示，激光打印，
激光测距、医疗军事等领域得到广泛的应用。在光信息处理、光计算等新领 域也将发挥重要的作用。
二、半导体激光器的工作原理
1.受激吸收：在电流或光作用下，价带中的电子获得能量跃迁的导
带中，在价带中留下一个空穴，称为受激吸收。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，即要求必须满足一定的电流阈值条件。
B 输出的波长为：源自2 B2ne Le(m 1 / 2) m是纵模的阶数
谢谢
E2 E1
hv
E2 hv E1
hv hv
(b) 自发辐射：非相干光
(c) 受激辐射：相干光
3.激光的产生：
当在半导体中实现粒子数反转，使得受激辐射大于受激吸收，使得光增益大于光损耗，就 可产生激光。
半导体激光器讲解PPT课件
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
14针双列直插式封装：
2019/11/7
36
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
蝶式封装：
2019/11/7
37
光纤通信基础
可编辑
§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
无集总式反射机构（F-P），由有源区波导上的 Bragg光栅提供反射功能，
2019/11/7
32
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
同轴激光器的封装：
2019/11/7
33
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
插拔式同轴封装：
2019/11/7
34
光纤通信基础
可编辑
§4.半导体激光二极管LD(续）
尾纤式同轴封装：
2019/11/7
35
Eg=h
2019/11/7
4
光纤通信基础
可编辑
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
本征半导体（I型）：杂质、缺陷极少的纯净、 完整的半导体。
电子半导体（N型）：通过掺杂使电子数目大 大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te）
空穴半导体（P型）：通过掺杂使空穴数目大 大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn）
原理：Bragg光栅周期，发射波长满足 2=m/n (m=0,1,2,……)
干涉增强方向 2sin=m/n
特点：单纵模特性好（边模抑制比可达35dB以上） 窄线宽，波长选择性好； 温度特性好，波长温度飘移为0.09nm/℃, 调制特性好，
2019/11/7
半导体激光器的频率
• 半导体制冷器从热负载抽运热量的速度 取决于模块所含 TEC 的数量、通过的 工作电流大小、模块的平均温度以及两 端的温差。
半导体制冷器，也称热电制冷器，其英文名称为 Thermo Electric Cooler，简称 TEC。它是一种利用珀耳帖(Peltier)效应工作，能起小型热泵作用的半导体电子器 件，可以用于制冷，也可以用于加热。半导体制冷器的基本结构如图所示。
半导体激光器控温系统的核心元件
珀耳帖(Peltier)效应
当有电流通过不同的导体组成的回 路时，除产生不可逆的焦耳热外， 在不同导体的接头处随着电流方向 的不同会分别出现吸热、放热现象。 如果电流从自由电子数较高的一端A 流向自由电子数较低的一端B，则B 端的温度就会升高；反之，B端的温 度就会降低。这是J.C.A.珀耳帖在 1834年发现的。
半导体激光器的方案设计
常用的半导体激光器的温度控制框图
温度采集
比 较 器
控制电流
温度控制部分：如图所示，半导体激光器的温度经温度传感器（热敏电阻）采集， 送入比较器，比较器把采集到的温度信号与设定的控制温度进行比较。经过比例积 分微分控制(PID Controller, Proportional-Integral-Differential Controller)处理后通过改 变热电制冷器的驱动电流大小及电流方向达到控制激光器工作温度的目的，进而对 半导体激光器进行制冷或加热，从而保证了半导体激光器温度的稳定。
半导体激光二极管的主要参数
半导体激光二极管的常用参数主要有：波长、阈值电流Ith 、工作 电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im。
(1) 波长：即激光管工作波长，常见的激光二极管的波长有635nm、650nm、 670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。激光二极管的波长可以 由波长计测得。
半导体制冷器，也称热电制冷器，其英文名称为 Thermo Electric Cooler，简称 TEC。它是一种利用珀耳帖(Peltier)效应工作，能起小型热泵作用的半导体电子器 件，可以用于制冷，也可以用于加热。半导体制冷器的基本结构如图所示。
半导体激光器控温系统的核心元件
珀耳帖(Peltier)效应
当有电流通过不同的导体组成的回 路时，除产生不可逆的焦耳热外， 在不同导体的接头处随着电流方向 的不同会分别出现吸热、放热现象。 如果电流从自由电子数较高的一端A 流向自由电子数较低的一端B，则B 端的温度就会升高；反之，B端的温 度就会降低。这是J.C.A.珀耳帖在 1834年发现的。
半导体激光器的方案设计
常用的半导体激光器的温度控制框图
温度采集
比 较 器
控制电流
温度控制部分：如图所示，半导体激光器的温度经温度传感器（热敏电阻）采集， 送入比较器，比较器把采集到的温度信号与设定的控制温度进行比较。经过比例积 分微分控制(PID Controller, Proportional-Integral-Differential Controller)处理后通过改 变热电制冷器的驱动电流大小及电流方向达到控制激光器工作温度的目的，进而对 半导体激光器进行制冷或加热，从而保证了半导体激光器温度的稳定。
半导体激光二极管的主要参数
半导体激光二极管的常用参数主要有：波长、阈值电流Ith 、工作 电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im。
(1) 波长：即激光管工作波长，常见的激光二极管的波长有635nm、650nm、 670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。激光二极管的波长可以 由波长计测得。
(优选)半导体激光器参数详解.
T＝(0.97)7＝80.7%．
未镀膜： T=(0.92)7=55.7%
这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25％的透射能量
减反射膜或者叫增透膜 分束膜 反射膜 滤光片 其他特殊应用的膜
通过提高快轴方向 的填充密度提高 光束质量
两束相互垂直的线偏振光通过偏振耦合成圆偏振光， BPP不变，功率提高一倍，等效提高光束质量一倍
半导体激光器参数
德国Laserline
北京工业大学 输出功率：1000W 光束质量： 12mm•mrad
BPP： beam-parameter product
•光束质量表征光束的可汇聚程度 •光参积是一个不变量
激光头工作距离 ≥100mm
M2 值增大 焦点增大
对光束质量提出要求
din dcore
缺点：
•介质中光程长，有一定吸收，晶体需要良好冷却
•入射角有一定限制
•晶体占据一定空间
No=1.658，Ne=1.486
4种波长光束耦合， BPP不变，功率提高4倍， 等效提高光束质量4倍
polarizat ion mult iplexing
diode laser
fast- & slow axis
•难点：非球面微柱透镜 的加工
椭球面方程
单元器件：
X0为周期 阵列器件：
慢轴方向孔径较低，利用普通石英玻璃，柱透镜阵列对 半导体激光阵列进行准直。
激光bar的BPP及其对称化
阵列光束的对称化 堆光束的对称化
反射率的控制 高反及增透
反射率与偏振态的控制 偏振分束
例：单层减反膜
折射率为1.52的玻璃敷有折射率为1.38的氟化镁薄膜后， 单面的反射损失可从4.2%减少到1.5%左右，例如7块平 板系统镀膜后，在参考波长上总的透射率可近似地估计为：
未镀膜： T=(0.92)7=55.7%
这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25％的透射能量
减反射膜或者叫增透膜 分束膜 反射膜 滤光片 其他特殊应用的膜
通过提高快轴方向 的填充密度提高 光束质量
两束相互垂直的线偏振光通过偏振耦合成圆偏振光， BPP不变，功率提高一倍，等效提高光束质量一倍
半导体激光器参数
德国Laserline
北京工业大学 输出功率：1000W 光束质量： 12mm•mrad
BPP： beam-parameter product
•光束质量表征光束的可汇聚程度 •光参积是一个不变量
激光头工作距离 ≥100mm
M2 值增大 焦点增大
对光束质量提出要求
din dcore
缺点：
•介质中光程长，有一定吸收，晶体需要良好冷却
•入射角有一定限制
•晶体占据一定空间
No=1.658，Ne=1.486
4种波长光束耦合， BPP不变，功率提高4倍， 等效提高光束质量4倍
polarizat ion mult iplexing
diode laser
fast- & slow axis
•难点：非球面微柱透镜 的加工
椭球面方程
单元器件：
X0为周期 阵列器件：
慢轴方向孔径较低，利用普通石英玻璃，柱透镜阵列对 半导体激光阵列进行准直。
激光bar的BPP及其对称化
阵列光束的对称化 堆光束的对称化
反射率的控制 高反及增透
反射率与偏振态的控制 偏振分束
例：单层减反膜
折射率为1.52的玻璃敷有折射率为1.38的氟化镁薄膜后， 单面的反射损失可从4.2%减少到1.5%左右，例如7块平 板系统镀膜后，在参考波长上总的透射率可近似地估计为：
半导体激光器
i 激活区每秒注入的电子 — 空穴对数
由于各种损耗的存在，激光器输出的光子数会减少，因而又定义了外 量子效率 ηex.
激活区每秒发射的光子 数
ex 激活区每秒注入的电子 — 空穴对数
图(5-31) GaAs激光器的发射光谱
同质结和异质结半导体激光器
1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
➢外微分量子效率:
D
(P Pth ) (i ith )
hν e
D
P hν (i ith )
e
P (i ith )V
➢功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比
• 半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高 能电子束激励式。
• 绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给PN结加正向 电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置 的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。
• 对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分 立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体 激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在 0.3 -34pm之间.其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见 的是AlGaA:双异质结激光器，其输出波长为750 - 890nm。
3.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能
级E被电子占据的几率为
Байду номын сангаас
1 fn (E) EEF
e kT 1
5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件
1.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问 题，图(5-25)给出了温度极低时的情况。
由于各种损耗的存在，激光器输出的光子数会减少，因而又定义了外 量子效率 ηex.
激活区每秒发射的光子 数
ex 激活区每秒注入的电子 — 空穴对数
图(5-31) GaAs激光器的发射光谱
同质结和异质结半导体激光器
1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
➢外微分量子效率:
D
(P Pth ) (i ith )
hν e
D
P hν (i ith )
e
P (i ith )V
➢功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比
• 半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高 能电子束激励式。
• 绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给PN结加正向 电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置 的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。
• 对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分 立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体 激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在 0.3 -34pm之间.其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见 的是AlGaA:双异质结激光器，其输出波长为750 - 890nm。
3.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能
级E被电子占据的几率为
Байду номын сангаас
1 fn (E) EEF
e kT 1
5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件
1.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问 题，图(5-25)给出了温度极低时的情况。
半导体激光器
固体的能带
在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带叫做“价带”，如某一能带被 电子填满，则称之为“满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带叫做 “空带’，若价带中的电子受激而进入空带，则此空带称为“导带”，同时， 价带上由于价电 子激发到导带后留下一些空着的能级称为“空穴”。 “价 带” 和“导带”之间是“禁带”。 在纯净的、不含杂质的半导体中，由于热运动而产生的自由电子和空穴数量 很少。这时，半导体是一个不导电的绝缘体。但如果半导体中掺入杂质，情况就 不同了。如四价半导体中掺入五价半导体，就会在导带下形成杂质能级。杂质能 级上电子很容易转移至导带上去，这种杂质称为施主。掺施主杂质的半导体称为 电子型半导体或N型半导体。而如果我们在四价半导体中掺入三价元素，则会在 价带上方形成受主杂质能级，价带上的电子可跑到受主能级上去，从而在价带上 产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。
2、阈值电流密度: 影响阈值的因 素很多
1 82v 2edv J阈 [a内 ln r1r2 ] 2L c2
显然，降低J阈的值是提高半导体水平的关键， GaAs激光器的伏安特性 经研究人们发现J阈与以下因素有关： ①与激光器的具体结构及制备工艺有密切关系，不同器件a总值差异很大； ②J阈∝1/L，即阈值电流密度与腔长L成反比； ③ J阈与工作温度的关系十分密切； ④ J阈与反射率r1r2有关，通常两个反射面都是天然解理面，故 r1 =r2 =0.32。 当腔长转短时，若1／2L比a总小或接近，一个端面镀金反膜会使J阈 明显降低， 但当腔长 L较长时， J阈的降低就不很明显了。
Hale Waihona Puke Common Diode Lasers
• CD Player = 632 nm • DVD Player = 658 nm • Blueray DVD = 405 nm
半导体激光器简介
E
外 场
E
外 场
导带
E
E g 10eV
导带
E g 1eV
满带
禁带 导带 满带 （3）金属
禁带 满带 （2） 绝缘体
（1）半导体
（1）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场 作用下运动而参与导电。 （2）绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，导电性很差。
（3）金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。
光作用下的跃迁和辐射
E2 - E1 = hv hv
E2 E1 (a) 受激跃迁
E2 E1
hv
E2 hv E1
hv hv
(b) 自发辐射：非相干光
(c) 受激辐射：相干光
LD的原理和结构 激光，英文LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (受激辐射的光放大)的缩写。激光器产生激光的条 件是： 1. 2. 3. 粒子数反转 产生大量的受激辐射 光反馈 光放大 (增益 > 损耗) 相位条件 波长选择
反向连接
正向连接时，P中的空穴和N中的电子都易于通过P-N 结， 形成P N的 正向宏观电流。
反向连接时，P中的空穴和N中的电子都难以通过P-N 结。故 P-N结具有单 向导电的性能。
半导体异质结的发光与吸收
自发辐射与受激辐射： 导带的电子不稳定，向价带 跃迁与空穴复合而放出光子—— 光辐射。如果跃迁是自发的，则 光子具有随机的方向、相位及偏 振态，称为自发辐射； 如果受到入射光子的激励， 辐射的光子与入射光子有相同的 方向、相位及偏振态，称为受激 辐射。
半导体的分类 （1）本征半导体 纯净的半导体，如硅、锗等。 半导体禁带宽度窄、在外场的作用下, 导带中的电子、满 带中的空穴都可参与导电。（本征导电性。见下图）
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。
第5章 半导体激光器效率参数
Bar 焊接的“Smile”效应 焊接的“Smile”效应
Bar 封装时的应力特性
由于bar GaAs衬底的热膨胀系数与热沉 由于bar 的GaAs衬底的热膨胀系数与热沉 热膨胀系数不一致引入应力。
半导体激光器的工作状态
按电流的持续时间分： 1、连续（CW） 、连续（CW） 2、准连续（QCW） 、准连续（QCW） 3、脉冲（pulse） 、脉冲（pulse） 按电流的变化程度分： 1、连续（CW） 、连续（CW） 2、软脉冲（Soft pulse） 、软脉冲（Soft pulse） 3、硬脉冲（Hard pulse） 、硬脉冲（Hard pulse）
不同脉宽情况下的热效应
低占空比硬脉冲工作状态
AuSn焊料的特点 AuSn焊料的特点
高温、高电流密度条件下稳定性好； 高温、高电流密度条件下稳定性好； 激光bar结温可允许达 结温可允许达80 激光bar结温可允许达80 ℃； 寿命高达3 万小时； 寿命高达3-4万小时； 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下 寿命与普通工作状态寿命差别不大。 寿命与普通工作状态寿命差别不大。
Bar 的n面电连接
Bar与热沉的焊接 Bar与热沉的焊接
难点：位置的控制 难点：
3µm
A
Vacuum gripping tool
B y
x
3µm
Heat sink Soldeing plate
Bar与热沉的焊接 Bar与热沉的焊接
难点：焊层内部空洞问题 产生原因：1、固化过程中的“出气” 产生原因：1、固化过程中的“出气”； 2、焊料氧化，浸润性变差。
846
846
845 0 2000 4000 6000 8000 10000
845 0 2000 4000 6000 8000 10000
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。
半导体激光器的参数测量
1.2
2.5
V－I
2
0.8 1.5
输出功率（m W ） 工 作 电 压 （ mV）
1 0.4
P－I
0.5
0
0
0
5
10
15
20
25
工 作 电 流 （ m A）
图 3 半导体激光器的工作特性曲线
图 3 中给出了典型的半导体激光器的工作特性示意图，其中实线是输出光功率和工作电 流的关系（实线）；图中的虚线是工作电压和工作电流的关系曲线（V-I 曲线），它基本是由 两段斜率不同的直线构成，一般 LD 在极小的电流状态下，电压已经较大了，所以一般测量 时，只能看到第二段，第二段是 LD 的串联电阻（LD 本身的电阻特性）与通过 LD 的电流 的结果。
（2）效率
a) 外量子效率：
η ex
=
激光器每秒钟发射的光子数 ＝ Pex / hν 激光器每秒钟注入的电子 − 空穴对数 I / e0
其中 Pex 为激光器输出光功率，h 为普朗克常数，e0 为电荷常数，I 为工作电流。一
般 77K 时，GaAs 激光器外量子效率达 70％－80％；300K 时，降到 30％左右。
p-n 结电注入激发机理。若在形成了 p-n 结的半导体材料上加上正向偏压，p 区接正极， n 区接负极。显然，正向电压的电场与 p-n 结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶
图 1 自建电场的示意图
体中电子扩散运动的阻碍作用，使 n 区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通 过 p-n 结向 p 区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在 注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就 是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。
半导体激光器的主要性能
4.5.2 半导体激光器的效率
描述激光器电子--光子转换的效率，即电能转变为光能的效率。 分别用功率效率和外微分量子效率描述。 1）功率效率
2）外微分量子效率
而其中的
定义为斜率效率：
4.5.3 半导体激光器的空间模式
分为空间模和纵模（轴模），空间模是描述围绕着输出光束轴线附近某 处的光强分布（或空间几何位置上的光强分布），亦称为远场分布。有 横模与侧模之分（如下图所示）。纵模则是一种频谱，表示所发射的光 束功率在不同频率（波长）分量上的分布。
下面曲线给出了LD线宽与1/P之间的关系、和温度对线宽的影响。
4.5.6 半导体激光器的动态特性
的电阻< 1欧），L1为引线电感（1-2nH），Cs为旁路电容（0.3-1pF）。 选择并控制Cs和L1可明显抑制类谐振现象。
4.5.7 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，使其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成了热量，引起激光器的温升。结果导致使 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、并严 重影响器件的寿命。 解决办法：
4.5.5 半导体激光器的线宽
定义：表征半导体激光器时间相干性的光谱纯度，定义为光谱曲线半峰值处 的全宽。一般的，在阈值以下的谱线宽度约为60nm左右，在阈值以上的谱线 宽度大约在2-3nm或更小。
半导体激光器的线宽比其他类别的激光器宽很多，主要原因如下： 1）LD的腔长短、腔面反射率低，因而品质因素Q值低； 2）有源区内载流子密度的变化引起的折射率变化，增加了激光输出相 位的随机起伏（或相位噪声）。
1）加风扇或者冷水循环降温； 2）使用帕尔贴半导体制冷器。 （通过控制帕尔贴制冷器的工作电流实现LD的温度稳定，见下图）
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半导体激光器的光束质量
阵列和单元器件快轴方向上光束质量一致； 阵列慢轴方向上光束质量是多个单元器件的叠加。
快轴方向光场分布
并非有源区越薄，发散角越大，衍射极限矛盾？ 大功率半导体激光器快轴方向N.A.>0.6
快轴的准直
N.A.=nsin
•高数值孔径要求使用高 折射率材料 •难点：非球面微柱透镜 的加工
上次课内容
热相关基础知识 单元器件的散热结构 阵列器件的散热结构
运用领域对半导体激光的需求
北京工业大学 输出功率：1000W 光束质量： 12mm•mrad
德国Laserline
本节课主要内容
高功率、高光束质量半导体激光系统的集 成。
光束质量的衡量参数
BPP： beam-parameter product
快轴的准直
椭球面方程
Smile条件下的快轴准直
慢轴方向光场
单元器件：
X0为周期 阵列器件：
慢轴的准直
慢轴方向孔径较低，利用普通石英玻璃，柱透镜阵列对 半导体激光阵列进行准直。
快慢轴准直镜实物图
激光bar的BPP及其对称化
阵列及堆的对称化
阵列光束的对称化 堆光束的对称化
薄膜光学原理简介
这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25％的透射能量
光学薄膜分类
减反射膜或者叫增透膜 分束膜 反射膜 滤光片 其他特殊应用的膜
光学薄膜应用举例
半导体激光空间耦合
通过提高快轴方向 的填充密度提高 光束质量
半导体激光的偏振耦合
两束相互垂直的线偏振光通过偏振耦合成圆偏振光， BPP不变，功率提高一倍，等效提高光束质量一倍
半导体激光的偏振耦合
缺点：
•介质中光程长，有一定吸收，晶体需要良好冷却
•入射角有一定限制
•晶体占据一定空间
No=1.658，Ne=1.486
半导体激光的波长耦合
4种波长光束耦合， BPP不变，功率提高4倍， 等效提高光束质量4倍
耦合技术的组合使用
polarizat ion mult iplexing
diode laser
fast- & slow axis
collimation
spatial mult iplexing
spatial multiplexing
polarization multiplex.
wavelength multiplex.
wavelength multiplexing
1
2
3
目前大功率半导体激光系统水平
谢谢
•光束质量表征光束的可汇聚程度 •光参积是一个不变量
非光纤耦合输出系统
激光头工作距离 ≥100mm
M2 值增大 焦点增大
对光束质量提出要求
光纤耦合输出系统
输入光束的光斑半径要小于光纤芯径
din dcore
发散角（全角）要小于光纤数值孔径的反 正弦的2倍
in 2 arcsin(N.A.) N.A.=0.22 < 25.4°
反射率的控制 高反及增透
反射率与偏振态的控制 偏振分束
例：单层减反膜
折射率为1.52的玻璃敷有折射率为1.38的氟化镁薄膜后， 单面的反射损失可从4.2%减少到1.5%左右，例如7块平 板系统镀膜后，在参考波长上总的透射率可近似地估计为：
T＝(0.97)7＝80.7%．ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
未镀膜： T=(0.92)7=55.7%