半导体激光器调研报告

半导体激光器调研报告

班级：电科

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半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。

仪器简介：

半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，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。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管，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。光泵式半导体激光器，一般用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.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用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。在半导体激光器件中，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。

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。

半导体复合发光达到受激发射（即产生激光）的必要条件是：①粒子数反转分布分别从P型侧和n型侧注入到有源区的载流子密度十分高时，占据导带电子态的电子数超过占据价带电子态的电子数，就形成了粒子数反转分布。②光的谐振腔在半导体激光器中，谐振腔由其两端的镜面组成，称为法布里一珀罗腔。③高增益用以补偿光损耗。谐振腔的光损耗主要是从反射面向外发射的损耗和介质的光吸收。

半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：

（1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；

（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；

（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。

半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。

半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。

几种常用的半导体激光器的应用：

量子阱半导体大功率激光器在精密机械零件的激光加工方面有重要应用,同时也成为

固体激光器最理想的,高效率泵浦光源。由于它的高效率,高可靠性和小型化的优点,导致了固体激光器的不断更新，在印刷业和医学领域,高功率半导体激光器也有应用。另外,如长波长激光器(1976年,人们用GaInAsP/lnP实现了长波长激光器)用于光通信,短波长激光器用

于光盘读出。自从NaKamura实现了GatnN/QaN蓝光激光器,可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用,如cD播放器,DVD系统和高密度光存储器。可见光面发射激光器在光盘,打印机,显示器中都有着很重要的应用,特别是红光,绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛。蓝绿光半导体激光器用于水下通信,激光打印,高密度信息读写,深水探测及应用于大屏幕

彩色显示和高清晰度彩色电视机中。总之,可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源,光存贮的读出和写入,激光打印,激光印刷,高密度光盘存储系统,条码读出器以及固体激光器的

泵浦源等方面有着广泛的用途。量子级联激光的新型激光器应用于环境检测和医检领域。另外,由于半导体激光器可以通过改变磁场或调节电流实现波长调谐,且已经可以获得线宽很

窄的激光输出,因此利用半导体激光器可以进行高分辨光谱研究。可调谐激光器是深入研究物质结构而迅速发展的激光光谱学的重要工具。大功率中红外(3—5邮,)LD在红外对抗,红外照明,激光雷达,大气窗121,自由空闻通信,大气监视和化学光谱学等方面有广泛的应用。

绿光到紫外光的垂直腔面发射器在光电子学中得到了广泛的应用,如超高密8度,光存储。近场光学方案被认为是实现高密度光存储的重要手段.垂直腔面发射激光器还可用在全色平板显示,大面积发射,照明,光信号,光装饰,紫外光刻,激光加工和医疗等方面。

如前所述,半导体激光器自20世纪80年代初以来,由于取得了DFB动态单纵模激光器

的研制成功和实用化，最子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的研制成功，面发射激光器的实现，单极性注入半导体激光器的研制等等一系列的重大突破，半导体激光器的应用越来越广泛，半导体激光器已成为激光产业的主要组成部分，目前已成为各国发展信息，通信，家电产业及军事装备不可缺少的重要基础。

半导体激光器的发展现状和发展趋势：

一是激光器研究向固态化方向发展，半导体激光器和半导体泵浦固体激光器成为激光

加工设备的主导方向。由于半导体激光器和半导体泵浦固体激光器自身所具有的高光电转换效率、更小的体积以及更优化的光模式，成为目前发展最为理想、迅速的激光器。半导体激光器以及半导体泵浦固体激光器的最高功率已达到了6KW，并逐步实现了设备的小型化和实用化，以其所具有的这些优势，半导体泵浦固体激光器和半导体激光器在工业激光加工、激光医疗等多个应用领域成为主流激光器，并将取代一些传统激光器的应用，例如灯泵浦的Nd:YAG激光器。