半导体激光器讲解
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 —。
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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。
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激光器的原理和结构
三层异质结构
由P型层、N型层和增益区组 成，形成电荷分布不均衡。
激发电子跃迁
通过半导体材料注入载流子， 使电子跃迁并辐射出激光。
反射和增强
利用反射镜将光不断反射， 形成受激辐射和光放大。
半导体激光器的分类
基于材料
可见光范围：GaN、InGaN、 AlGaInP
基于结构
激光二极管、垂直腔面发射激 光器（VCSEL）、边缘发射激光 器
半导体激光器将继续追求更高功率输出
新材料和结构
2
和更短波长的发展。
新型半导体材料和结构设计将推动半导
体激光器的进一步发展。
3
光电子集成
半导体激光器将与其他光电子器件集成， 进一步拓展应用领域。
总结和展望
半导体激光器的发展已经取得了显著的成就，但仍有许多待解决的挑战。我们期待看到半导体激光器在更多领 域发挥重要作用，并推动科技进步和社会发展。
1 小尺寸、易集成
半导体激光器的微小尺寸 使其在集成电路和微型设 备中具有广泛应用。
2 低功耗、高效率
相较于其他激光器，半导 体激光器具有更低的功耗 和更高的能量转换效率。
3 快速开关、调制
半导体激光器具有快速调 制和切换特性，适用于光 通信和传感器等领域。
半导体激光器的发展趋势
1
更高功率和更短波长
基于应用
光通信、激光打印、医疗、工 业加工、激光雷达等
半导体激光器的应用
光通信
作为信息传输的关键技术，广泛 应用于光纤通信和无线光通信领 域。
医疗
各种激光治疗设备，如激光手术 刀和激光美容仪，受到医疗界的 青睐。
工业加工
激光切割、激光焊接和激光打标 等应用，提高了工业加工的效率 和精度。
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。
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正反馈（驻波）；
fq 谐振频率， q 谐振波长， q 纵模
f q
c
q
q
c 2nL
12
§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
频带加宽：增益介质的增益-频率特性；
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
横模TEMmn ：激光振荡垂直于腔轴方向，平面波 偏离轴向传播时产生的横向电磁场模式。
受激辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，向下 进入亚稳态，外来光子会激励电子向下跃迁到基 态E1，受激辐射一个光子（位相相同）。
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
粒子数反转（光放大的必要条件）：仅当激发态 的电子数大于基态中的电子数时，受激辐射超过 吸收，要利用“泵浦（激励）”方法。
有源区：实现粒子数反转，对光具有放大作用的 区域。
Eg=h
4
§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）
在纯净的Ⅲ-Ⅴ族化合物中掺杂Ⅵ族元素（N 型），或掺杂Ⅱ族元素（P型）
掺杂：eVDEg为轻掺杂， eVDEg为重掺杂。
在平衡状态下，P区和N区有统一的Ef。
正电压向V→漂移运动→抵消一部分势垒（V-VD） →破坏平衡→ P区和N区的Ef分离（准费米能级）。
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
(Ef)N以下的能级，电子占据的可能性大于1/2， (Ef)P以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2。
第6章 半导体激光器讲解
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温 度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。
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。
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。
830 828
I=100mA Po=10mW
832 830 828
I=85mA Po=6mW
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构
半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子 数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈， 实现光放大而产生激光振荡的。
光受激辐射、发出激光必须具备三个要素：
1、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；
2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；
3、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大， 发出激光。
图 3.6 DH (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV) h f =Eg
式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，
c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
生的自发辐射光作为入射光。
产生稳定振荡的条件（相位条件）
2L m / n
m 纵模模数，n 激光媒质的折射率
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的电子能级结构产生激光的装置。
它具有以下几个特点：1. 高效率：半导体激光器的光电转换效率相对较高，通常可达到30%以上。
这是因为半导体材料具有较高的折射率，能够实现较长的光程，并且电流注入激活的载流子浓度较高，使得激光产生的概率增大。
2. 小型化：半导体激光器具有体积小、重量轻的特点，可以制成非常小巧的器件。
这使得它可以广泛应用于光通信、激光打印、激光雷达等领域，同时也方便集成到其他电子器件中。
3. 快速调制：半导体激光器的调制速度非常快，可以达到几十Gbps甚至上百Gbps的水平。
这使得它成为光纤通信和光存储等领域中的重要组件，能够实现高速数据传输和处理。
4. 低功率消耗：由于半导体激光器是利用电流注入产生激光，相对于其他类型的激光器，它的功耗较低。
这使得半导体激光器在便携式设备和低功耗应用中具有优势，例如激光指示器和激光笔等。
5. 单色性好：半导体激光器的输出光束通常是单色的，具有较窄的谱线宽度。
这使得它在光谱分析、光纤传感和光谱测量等领域中有着广泛的应用。
6. 长寿命：半导体激光器的寿命相对较长，可以达到几万小时以上。
这使得它在长时间稳定工作和持续使用的应用中具有优势，例如激光切割和激光医疗等领域。
7. 可调谐性：某些类型的半导体激光器具有可调谐的特性，可以通过改变电流或温度等参数来调节输出的激光波长。
这使得它在光谱分析、光通信和光存储等领域中具有灵活的应用。
半导体激光器具有高效率、小型化、快速调制、低功率消耗、单色性好、长寿命和可调谐性等特点。
在现代科学技术的发展中，半导体激光器在光电子学、光通信、光存储、医疗等领域发挥着重要的作用，并且具有广阔的应用前景。
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、高强度、单色、相干性极高的光束的装置。
半导体激光器是一种基于半导体材料创造的激光器，其发光原理和工作原理是通过激发半导体材料中的电子来产生激光。
1. 发光原理：半导体激光器的发光原理基于半导体材料的能带结构。
半导体材料由导带和价带组成，两者之间存在能隙。
在材料中存在自由电子和空穴，当外加电压通过半导体材料时，电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
这些电子空穴对会在半导体材料中扩散，并且在电子和空穴重新结合时释放出能量。
2. 工作原理：半导体激光器的工作原理主要包括注入、增益和反射三个过程。
注入：在半导体激光器中，通过外部电源向半导体材料注入电流。
这个电流会导致半导体材料中的电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
这个过程称为载流子注入。
增益：注入电流产生的电子空穴对会在半导体材料中扩散并发生重新结合。
在这个过程中，电子和空穴释放出能量，产生光子。
这些光子会在半导体材料中来回反射，与其他电子和空穴发生相互作用。
当光子与电子或者空穴相互作用时，光子会被吸收，而电子和空穴则会重新激发，继续释放光子。
这个过程称为激光增益。
反射：在半导体激光器中，两个端面被制作成反射镜。
当光子在半导体材料中来回反射时，一部份光子会被反射镜反射回半导体材料中，而另一部份光子则会透过一个反射镜离开激光器。
这个过程称为光子的反射。
通过不断的注入、增益和反射过程，半导体激光器可以产生高度聚焦、高强度、单色、相干性极高的激光束。
这种激光束在许多领域有广泛的应用，包括通信、医疗、材料加工等。
需要注意的是，半导体激光器的工作原理还涉及到其他因素，如泵浦源、谐振腔等。
泵浦源提供注入电流，谐振腔用于增强激光的相干性和聚焦性。
这些因素的设计和优化对于半导体激光器的性能至关重要。
总结：半导体激光器的发光原理是通过激发半导体材料中的电子来产生激光。
工作原理包括注入、增益和反射三个过程。
注入电流导致电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对；增益过程中，电子和空穴的重新结合释放出能量，产生光子；反射过程中，光子在半导体材料中反射，部份光子被反射镜反射回半导体材料中，形成激光束。
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。
半导体激光器介绍
半导体激光器介绍什么是半导体激光器？半导体激光器又称半导体激光二极管（LD），是指以半导体材料作为工作物质的一类激光器。
激光产生的过程比较特殊，常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
按激励方式分类则分为三种：电注入、电子束激励和光泵浦。
按照结构分类，半导体激光器件又可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
半导体激光器工作的三大要素为：增益大于等于损耗、谐振腔和受激光辐射。
半导体激光器具有体积小、寿命长、便于集成、光电转换效率高等优点，在激光通信、激光显示、激光打孔、激光切割、激光焊接、激光指示、激光打印、激光打标、激光测距、激光医疗等方面具有非常广泛的应用。
半导体激光器的结构最简单的半导体激光器由薄的有源层、P型、N型限制层构成。
有源层处在P型和N型之间，产生的PN异质结通过欧姆接触正向偏置，电流在覆盖整个激光器芯片的较大面积注入。
以GaAs激光器为例，散热及点接触部分对材料的选择有一定的要求，陶瓷电路板陶瓷基金属化基板拥有良好的热学和电学性能，是功率型LED封装、激光、紫外的极佳材料，特别适用于多芯片封装(MCM)和基板直接键合芯片(COB)等的封装结构；同时也可以作为其他大功率电力半导体模块的散热电路基板，大电流开关、继电器、通信行业的天线、滤波器、太阳能逆变器等。
目前，GaAs激光器基本采用的是陶瓷电路板，而陶瓷电路板中又以氧化铝、氮化铝陶瓷电路板最为常用。
半导体激光器封装工艺流程半导体激光器封装工艺流程大致分为如下几个过程：清洗、蒸镀，共晶贴片，烧结，金丝，球焊，焊引线，目检，老化前测试，老化，老化后测试，封帽，包装入库。
1.清洗的作用主要包括对热沉、管座、陶瓷片及芯片盒的清洗，包括一些仪器的日常清洗，如：全玻璃钢通风柜、超纯水机、烘箱、超声波清洗机等。
2.蒸镀主要用于热沉蒸镀焊料，陶瓷片蒸镀金属电极。
软焊料要求焊接应力小，主要指热膨胀系数与芯片差别较大的热沉材料；硬焊料要求有较大的焊接应力，良好的抗疲劳性和导热性，主要指适用于热膨胀系数与芯片差别较小的热沉材料。
半导体激光器
半导体激光器半导体激光器：光电技术的重要突破引言随着科技的飞速发展，半导体激光器作为一项重要的光电技术正逐渐成为人们关注的焦点。
半导体激光器具有窄谱线宽、高光输出功率、高能量转换效率等优点，广泛应用于通讯、医学、照明等领域。
本文将为您详细介绍半导体激光器的原理、特点以及应用前景。
一、半导体激光器的原理半导体激光器是一种通过激发半导体材料产生激光的器件。
它由半导体材料构成，其中镜子是主要的光学部件。
通过在半导体材料中注入电流，将电能转化为光能，通过反射镜的反射和透过作用，使光在腔内来回反射，从而放大并产生激光。
这一过程主要依赖于激子的生成、传输和激发。
二、半导体激光器的特点1. 窄谱线宽：半导体激光器的谱线宽度通常较窄，能够在光的频域内集中较大的功率。
这一特点使得半导体激光器在光通信领域具有重要的应用前景。
2. 高光输出功率：半导体激光器的光输出功率较高，在一定应用范围内能够满足大功率光源的需求。
这也使得半导体激光器在照明和激光加工等领域得到广泛应用。
3. 高能量转换效率：相对于其他类型的激光器，半导体激光器的能量转换效率较高。
这一特点使得半导体激光器在能源利用效率方面具有优势。
4. 尺寸小、重量轻：由于半导体激光器的结构简单，尺寸小、重量轻，因此便于集成和便携。
这也为其在手持设备和便携式仪器等领域的应用提供了更多可能性。
三、半导体激光器的应用1. 光通信：半导体激光器具有较高的调制速度和窄的发射谱线宽度，使其在光通信系统中得到广泛应用。
目前，大部分的光通信系统都采用半导体激光器作为光源。
2. 医学：半导体激光器在医学领域有着广泛的应用，如激光治疗、激光手术和皮肤美容等。
半导体激光器的小尺寸和高功率输出使其成为医学器械领域的理想选择。
3. 照明：半导体激光器在照明领域的应用越来越受到关注。
相较于传统照明设备，半导体激光器具有较高的能量转换效率和较长的寿命，能够提供更加稳定和均匀的照明效果。
4. 激光显示：半导体激光器也被应用于激光显示技术中。
半导体激光器(一)ppt课件教学教程
主要内容
• 半导体激光器的工作原理 • 半导体激光器的基本结构
半导体激光器工作原理
半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现 粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用光学谐 振腔的正反馈实现光放大而产生激光。
半导体激光器工作原理
• 光与物质相互作用的三种基本方式 • 粒子数反转分布 • 激光振荡和光学谐振腔
E2
初态
hf12
E1
E2
终态
hf12
E1
(a)受激吸收
(b)自发辐射
能级与电子跃迁示意图
hf12
hf12
(c)受激辐射
粒子数反转分布
和分光激别强N辐设2物比会射在质例衰，单在于减光位正N，通物1和常物过质N状质该中2且态为物低比下吸质能例N收时级1系＞物，电数N质光2子，相。强数受等若会和激，N放2高吸此＞大能收时N1，级与，光该电受受通物子激激过质数辐吸该成射收分物为的小质别激速于时为率活受，N1 物布。质。N2＞N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分
GaAs衬底
光辐射
金属接触
+ (a)
P GayAl1-yAs
E
(b)
能 量
空穴
N 折
(c) 射
率
P GaAs
－
N GaXAl1-XAs 电子
复合
异质势垒
＜5%
P 光
(d) 功
率
双异质结（DH)LD的工作原理示意图
双异质结（DH)LD的工作原理
双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材 料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层， 两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体是限制层，三层半导 体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。 光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。
半导体激光器原理知识讲解
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
异质结对光场的限制作用
半导体激光器的材料选择
1-能在所需的 波长发光
2-晶格常数与 衬底匹配
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
效率降低，这些都会使阈值电流密度增加
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
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。
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）
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）
横模（侧横模）
增益导引激光器(Gain guide LD)
DFB激光器
DFB-LD与DBR-LD
F-P-LD与DFB-LD的纵模间隔
DFB-LD的增益与损耗
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
条形激光器
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。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理
半导体激光器是一种利用半导体材料（如氮化镓、砷化镓、磷化铟等）产生和放大激光束的装置。
其工作原理基于半导体材料的特殊能带结构和注入电流。
在半导体材料中，晶体中的电子分布在能带中，包括导带和价带。
当半导体处于低温和无外界激发的情况下，大部分电子都集中在价带中，导带很少有电子存在。
而当半导体材料受到能量激励时，如注入电流或光脉冲，部分电子会被激发到导带中，形成载流子。
在半导体激光器中，通过正向偏置电流或注入电流将电子注入到半导体材料中。
半导体材料通常是一个p-n结构，即一个额
外掺杂有三价杂质的p区域和一个掺杂有五价杂质的n区域。
在p区域，电子从价带中被激发到导带中，在n区域，由于杂质的特殊电子构造，电子从导带重新返回到价带中。
在此过程中，载流子会与p-n结相互碰撞。
当足够的载流子被注入到半导体材料中时，会引起载流子的继续扩散和碰撞，使得载流子密度逐渐增加。
在p-n结的边界处，由于载流子和空穴的结合，会形成一个高浓度的激发载流子区域，称为激发区。
激发区内的载流子在经过碰撞和淬灭过程后会释放出光子。
当激发载流子在发射区域中被激活时，它们会引发更多的载流子激发，从而导致光子的逐渐增加。
这种过程称为光放大。
在激发区的两端，反射镜用于将激光束保持在器件内部。
当光辐
射到反射镜时，一部分光被反射回激发区，进一步增强激光强度。
这样，通过正向注入电流和反射镜的辅助下，半导体激光器可以实现光子的连续放大，最终产生一束强度相对集中、单色性好的激光束。
共同信号驱动半导体激光器相位混沌同步研究
共同信号驱动半导体激光器相位混沌同步研究一、什么是半导体激光器？1.好吧，咱们先从最基础的说起。
半导体激光器是什么？你可以把它想象成一个非常聪明的小家伙，它的任务就是把电能转换成光能，产生激光。
这个过程看似简单，但其实其中的物理原理可不那么容易理解。
就像你在看一部科幻电影，里面的激光武器发射的光，看似简单，其实背后有一堆复杂的技术和科学在支撑。
你看，半导体激光器可不是普通的激光，它的内部结构和工作原理相当特别，依赖的是一种非常特殊的半导体材料，这些材料能够让电流通过时，激发出光子，然后这些光子就开始奔跑，形成激光。
2.所以说，半导体激光器其实就像是一个微小的光源，能够在极短的时间内发出一束非常强的激光。
你想想看，这种激光器广泛应用于通信、医学、工业等领域。
你拿着手机上的激光指示笔，背后就有这样的技术在默默支持。
但凡你有机会在实验室里玩一玩这些设备，就会发现它们的工作可不仅仅是那么简单，稍微搞得不好，激光的发射就会出现问题，比如光的稳定性不好，甚至出现激光失控的情况，这就需要精密的控制系统。
3.所以啦，半导体激光器不仅需要发光，还要保证这个光稳定、精准且连续地发出来。
问题是，当这些激光器工作时，它们往往会表现出一些奇怪的现象，比如“相位混沌”。
这听起来是不是有点吓人？其实也不那么可怕，就是激光的光波方向变得不可预测了，开始出现一种混乱的状态，这就像是一台精密的钟表突然不准了，时间跳跃着走。
要解决这个问题，就得对半导体激光器的相位进行精确的控制。
二、什么是相位混沌同步？1.好，咱们说到相位混沌同步，光是看这几个字，你就觉得有点深奥吧？其实它就是讲在多台激光器之间，通过某种方法让它们的“摇摆”变得一致。
就像你和朋友一起跳舞，本来每个人都有自己的舞步，有的人快、有的人慢，舞蹈就乱了套。
可是，如果你们的步伐都能同步起来，舞蹈就变得又整齐又有节奏感了。
相位混沌同步其实就是要让多台激光器的振荡和相位同步，从而避免它们乱七八糟地跳舞。
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激发时电子吸收能量，跃迁时电子辐射能量；
Eg=h
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§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）
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§4.半导体激光二极管LD(续）
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§4.半导体激光二极管LD(续）
管芯制作工艺：InGaAsP双异质结
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§4.半导体激光二极管LD(续）
半导体激光器的特性：双异质结InGaAsP
普朗克定律：基态到激发态的跃迁—吸收一个光 子，激发态到基态的跃迁—发射一个光子，光子 的能量为h=E2-E1。 吸收激发：E1基态的电子吸收光子能量，激发到 高能态E2； 自发辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，自发 返回基态E1，自发辐射一个光子（位相随机）。
受激辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，向下 进入亚稳态，外来光子会激励电子向下跃迁到基 态E1，受激辐射一个光子（位相相同）。
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
横模TEMmn ：激光振荡垂直于腔轴方向，平面波 偏离轴向传播时产生的横向电磁场模式。
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§3.半导体发光二极管LED
利用半导体p-n结自发发光的器件。 特点：温度特性好，输出线性较好，没有模式 色散，驱动电路简单，寿命长。
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§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
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§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
分布Bragg反射器（DBR）激光二极管
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§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
超结构光栅DBR可调谐激光二极管
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§6.量子阱半导体激光器
有源层尺寸极小→有源层与两边相邻层的能带不 连续→导代和价带的突变→势能阱→量子阱效应
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§6.量子阱半导体激光器
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
粒子数反转（光放大的必要条件）：仅当激发态 的电子数大于基态中的电子数时，受激辐射超过 吸收，要利用“泵浦（激励）”方法。 有源区：实现粒子数反转，对光具有放大作用的 区域。
光学谐振腔： 自发辐射光子 夹角大的逸出 受激辐射光子 全同光子
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
(Ef)N以下的能级，电子占据的可能性大于1/2， (Ef)P以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2。
当正向电压足够大时，产生复合发光。
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
导体的Eg半导体Eg导体Eg=0；
价带中电子激发至导带，留下空穴；临近电子 填补这个空穴，又留下另一个空穴；空穴产生 位移；(统称载流子） 导带中电子跃迁至价带，填补空穴，既复合；
电子（-）、空穴（+）称为载流子；
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
谐振腔的三功能：光放大、频率选择、正反馈。 阈值条件：增益必须大于损耗；
1 1 g t i ( ) ln( ) 2L R 1R 2
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§3.半导体发光二极管LED(续）
面发光二极管
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§3.半导体发光二极管LED(续）
边发光二极管
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§3.半导体发光二极管LED(续）
技术参数： 1.3m LED 指标 边发光 参数 最小值 典型值 最大值 1.30 1.32 发射波长(m) 1.22 40 50/6 出纤功率(W) 60 80 半高谱宽(nm) 150 工作电流(mA) 2.5 响应时间(ns)
§4.半导体激光二极管LD(续）
光耦合透镜系统：
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§4.半导体激光二极管LD(续）
激光器封装的目的： ⑴隔绝环境，避免损害，保证清洁； ⑵为器件提供合适的外引线； ⑶提高机械强度，抵抗恶劣环境； ⑷提高光学性能； 封装器件的主要要求： ⑴气密性好，保证管芯与外界隔绝； ⑵结构牢固可靠，部件位置稳定，经受住各种环境； ⑶热性能好，化学性能稳定，抗温度循环冲击； ⑷可焊性好，工艺性好，有拉力强度； ⑸符合标准，系列化，成本低，适合批量生产。
在纯净的Ⅲ-Ⅴ族化合物中掺杂Ⅵ族元素（N 型），或掺杂Ⅱ族元素（P型）
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
p-n结：P型半导体和N型半导体结合的界面。
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§2.半导体中光的发射和激射原理(续）
可调速率(MHz)
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面发光 典型值 1.3 40 <85
200
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§4.半导体激光二极管LD
同质结与异质结：
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§4.半导体激光二极管LD(续）
窄条双质结激光二极管：
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光纤通信基础
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§8.半导体激光器特性与检测
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§8.半导体激光器特性与检测
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§8.半导体激光器特性与检测
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尾纤式同轴封装：
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§4.半导体激光二极管LD(续）
14针双列直插式封装：
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§4.半导体激光二极管LD(续）
蝶式封装：
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§5.分布反馈激光二极管（DFB--LD）
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§6.量子阱半导体激光器
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§7.半导体激光器组件
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§8.半导体激光器特性与检测
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§8.半导体激光器特性与检测
扩散运动→空间电荷势垒→自建电场VD→平衡状态。
费米能级Ef：描述电子能量状态分布的假象能级， Ef以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，空穴占 据的可能性小于1/2； Ef以上的能级，空穴占据的 可能性大于1/2，电子占据的可能性小于1/2。 掺杂：eVDEg为轻掺杂， eVDEg为重掺杂。 在平衡状态下，P区和N区有统一的Ef。 正电压向V→漂移运动→抵消一部分势垒（V-VD） →破坏平衡→ P区和N区的Ef分离（准费米能级）。
光纤通信光源 讲 义
武汉大学 电子信息学院 何对燕
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§1.光纤通信中的光源
将电信号转换为光信号； 有两种：半导体激光二极管（LD）； 半导体发光二极管（LED）； 要求：发射波长与光纤低损耗和低色散波长一致； 在室稳下连续工作，低功耗，谱线窄； 体积小，重量轻，使用寿命长； 制造工艺简单，成本低，可靠性高；
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§4.半导体激光二极管LD(续）
同轴激光器的封装：
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§4.半导体激光二极管LD(续）
插拔式同轴封装：
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