光栅在半导体激光器中的作用
半导体激光器的研究进展
半导体激光器的研究进展摘要：本文主要述写了半导体激光器的发展历史和发展现状。
以及对单晶光纤激光器进行了重点描述，因其在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，近年来成为新型固体激光源研究的热点。
一、引言。
激光是20 世纪以来继原子能、电子计算机、半导体之后人类的又一重大发明。
半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大的规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。
半导体激光历经五十余年发展，作为一个世界前沿的研究方向，伴随着国际科技进步突飞猛进的发展，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。
半导体激光的进步在国际范围内受到了高度的关注和重视，不仅在基础科学领域不断研究深化，科学技术水平不断提升，而且在应用领域上不断拓展和创新，应用技术和装备层出不穷，应用水平同样取得较大幅度的提升，在世界各国的国民经济发展中，特别是信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用。
本文对半导体激光器的发展历史和现状进行了综述，同时因单晶光纤激光器在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，本文也将对其做重点描述。
二、大功率半导体激光器的发展历程。
1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs同质结构注入型半导体激光器。
由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要5 × 104～1 ×105 A /cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。
从此开始，半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。
1963 年，美国的Kroemer和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。
随着异质结材料的生长工艺，如气相外延( VPE) 、液相外延( LPE) 等的发展，1967年，IMB 公司的Woodall 成功地利用LPE 在GaAs上生长了AlGaAs。
半导体激光器LD
B 输出的波长为：
2 B
2ne Le
(m 1 / 2) m是纵模的阶数
谢谢
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。
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。
2.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 - E1 = hv hv
E2 E1 (a) 受激跃迁
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
of Radiation (受激辐射放大光)的缩写。
dfb激光器原理
dfb激光器原理DFB激光器原理。
DFB激光器是一种具有单模、窄线宽和高功率输出的激光器，其原理基于光栅的衍射效应。
DFB激光器在光通信、光纤传感、光谱分析等领域有着广泛的应用。
本文将介绍DFB激光器的原理及其工作过程。
DFB激光器的结构主要由光栅和半导体材料组成。
光栅是一种具有周期性折射率变化的光学元件，它能够选择性地增强或抑制特定波长的光。
半导体材料则是激光器的发光介质，通过注入电流使其产生光子。
在DFB激光器中，光栅的周期性折射率变化导致了光的衍射效应，从而实现了单模输出和窄线宽的特性。
DFB激光器的工作原理可以简单地描述为，在激发条件下，半导体材料中的电子和空穴复合产生光子。
这些光子在激光腔中来回反射，其中部分光子被光栅的衍射效应选择性地增强，形成了单模输出。
同时，光栅的周期性结构也限制了激光波长的选择，使得DFB激光器具有非常窄的线宽。
DFB激光器的工作过程中，光栅的周期性结构起到了关键作用。
光栅的周期决定了输出激光的波长，而光栅的折射率变化则决定了衍射效应的强度。
通过精确设计光栅的周期和折射率变化，可以实现对DFB激光器输出波长的精确控制，从而满足不同应用场景对波长的要求。
除了波长的精确控制，DFB激光器还具有高功率输出的特点。
这得益于激光腔中的光增益和光栅的衍射效应，使得DFB激光器能够实现高效的光放大和窄线宽的输出。
这使得DFB激光器在光通信和光纤传感等领域有着广泛的应用前景。
总结来说，DFB激光器是一种基于光栅衍射效应的激光器，其原理基于光栅的周期性折射率变化和半导体材料的光放大效应。
通过精确设计光栅的结构和半导体材料的特性，可以实现对波长和功率的精确控制，从而满足不同应用场景的需求。
DFB激光器在光通信、光纤传感和光谱分析等领域有着广泛的应用前景，对于推动光电子技术的发展具有重要意义。
体布拉格光栅外腔倍频半导体激光器研究
体布拉格光栅外腔倍频半导体激光器研究
刘荣战
【期刊名称】《光学仪器》
【年(卷),期】2024(46)2
【摘要】为提高绿光激光器的输出特性,设计了一种体布拉格光栅外腔倍频半导体激光器。
采用反射型体布拉格光栅作为反馈元件构成外腔半导体激光器,并使用三硼酸锂晶体进行倍频,研究了基频光的光束及光谱特性对倍频光的光束及光谱特性的影响。
实验结果表明,使用体布拉格光栅进行外腔锁波时,所得到的倍频光同样能实现窄带宽输出,同时倍频光的远场分布与基频光的远场分布一致。
使用衍射效率为10%的体布拉格光栅作为外腔输出镜,可将半导体激光器的输出波长稳定锁定在1064 nm,所得到的倍频光波长稳定在532 nm附近,光谱线宽压缩至0.4 nm左右,输出功率可达73 mW。
【总页数】10页(P36-45)
【作者】刘荣战
【作者单位】武汉锐科光纤激光技术股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN248.4
【相关文献】
1.温控体布拉格光栅外腔单管半导体激光器
2.体布拉格光栅外腔半导体激光器的光栅旋转角度容差
3.高斯切趾型光纤布拉格光栅外腔半导体激光器的混沌输出特性
4.
体布拉格光栅外腔红光半导体激光器实验研究5.体布拉格光栅外腔半导体激光器温度特性研究
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半导体激光器LD综述
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。
半导体激光治疗仪原理
半导体激光治疗仪原理半导体激光治疗仪是一种用于皮肤治疗和修复的先进医疗设备。
它利用激光技术，通过治疗仪中的半导体激光器产生的红外光束来实现治疗效果。
本文将介绍半导体激光治疗仪的原理及其工作方式。
一、半导体激光治疗仪的原理概述半导体激光治疗仪的原理基于光生物学效应，即将激光光束照射到人体皮肤表面时，光能被治疗对象的组织吸收，并通过一系列的生物化学反应产生治疗效果。
半导体激光治疗仪中的半导体激光器以红外光谱范围的光子能量作为治疗光源，以确保其能够穿透皮肤并在疼痛和炎症区域发挥治疗作用。
二、半导体激光治疗仪的工作原理半导体激光治疗仪主要由光源系统、光学系统和治疗系统三部分组成。
1. 光源系统：半导体激光治疗仪采用半导体激光器作为光源。
半导体激光器利用多个半导体材料的PN结构和外加电流的作用，在材料界面形成带宽窄的激光发射层。
通过调节激光器外加电流的大小，可以控制激光的输出功率。
2. 光学系统：光学系统由准直透镜、衍射光栅和光纤组成。
激光光束经过准直透镜和衍射光栅的聚焦和调节后，通过光纤输送到治疗头。
光学系统的设计和优化能够保证激光能量的高效输送和均匀分布在治疗区域。
3. 治疗系统：治疗系统由治疗头和监控控制系统组成。
治疗头将激光能量引导和聚焦到病患区域，使激光能量被具体治疗对象吸收。
监控控制系统用于调节激光器的输出功率、控制激光的工作方式和监测治疗仪的工作状态。
三、半导体激光治疗仪的治疗原理半导体激光治疗仪利用红外光能量的特点，可以在皮肤表面渗透到浅层皮肤和组织中。
当激光光束照射到皮肤表面时，其能量被局部的组织吸收，产生一系列的生物化学反应，从而产生治疗效果。
1. 生物刺激效应：激光光束的能量可以刺激局部组织细胞的新陈代谢和活力，促进细胞再生和修复。
它可以提高局部组织细胞的光敏性，并促使血管扩张，增加血液循环，加速组织的新陈代谢。
2. 抗炎和止痛效应：激光光束的能量可以减少炎症反应，抑制病变组织中炎症介质的释放，从而缓解炎症和疼痛。
光栅原理及使用
光栅原理及使用
光栅原理是一种广泛应用于光学领域的技术，它利用光的干涉和衍射现象来实现光的分光和波长测量。
光栅是一种具有周期性透明或不透明条纹的光学元件，通过这些条纹的作用，可以将入射光分散成不同波长的光线，从而实现波长的分辨和测量。
光栅的原理基于光的波动性质，当入射光线通过光栅时，会发生干涉和衍射现象。
光栅的条纹间距和条纹的亮暗由光栅的周期和光的波长决定，不同波长的光线经过光栅后会在不同位置形成明暗条纹，从而实现波长的分离。
光栅的分辨率取决于光栅的周期和入射光的波长，周期越小，分辨率越高。
在实际应用中，光栅被广泛用于光谱仪、光学测量仪器、激光器、光通信等领域。
光栅光谱仪是一种常见的光谱分析仪器，它利用光栅的原理将入射光线分散成不同波长的光线，从而实现对光谱的测量和分析。
光栅在激光器中也起着重要作用，可以实现激光的频率稳定和波长选择。
在光通信中，光栅可以用于波分复用和波长选择，提高光信号的传输效率和带宽。
除了光学领域，光栅原理也被应用于其他领域，如声学、无线通信等。
声学光栅利用声波的干涉和衍射现象来实现声波的分散和波长测量，可以用于声学成像和声学通信。
在无线通信中，光栅可以用于天线设计和信号处理，实现信号的波长选择和频率调制。
总的来说，光栅原理是一种重要的光学技术，通过光的干涉和衍射现象实现光的分光和波长测量。
在光学、声学和无线通信等领域都有广泛的应用，为科学研究和工程技术提供了重要的支持。
随着科技的不断发展，光栅技术将会得到进一步的应用和完善，为人类创造更多的可能性。
光纤光栅在各领域的应用
随着紫外写入光纤光栅制作技术的日趋成熟，人们逐渐认识到从光纤通信、光纤传感到光计算和光学信息处理的整个光纤领域都将由于光纤材料这种感光特性的发现而发生革命性的变化。
尤其是在光纤通信方面，光纤光栅将影响到从光发送、光放大、光纤色散补偿到光接收的几乎每个方面。
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子与纤芯离子相互作用引起的折射率的洋机永久性变化）在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜，利用这种特性可以构成许多独特性能的光纤无源器件。
由光纤光栅提供选择性反馈的光纤激光器和半导体激光器已可实现线宽只有kHz量级的单纵模激光输出。
在EDFA中使用光纤光栅，可以在整个放大器带宽内实现平坦的增益并有效地抑制放大器的自发辐射噪声(ASE)，同时极大地提高泵浦效率，从而对光信号实现接近理想水平的低噪声放大。
采用光纤光栅可以制成结构简单、性能优良的全光纤波分复用器，用单个器件即可同时实现上下话路的功能。
此外，适当设计的周期渐变(Chirp)光纤光栅在理论和实验上均被证明具有很强的色散补偿能力，它可以在很大程度上消除光纤色散对系统通信速率的限制。
除了其独特的光谱特征外，光纤光栅还具有体积小、插入损耗低以及与普通通信光纤良好匹配的优点。
利用光纤光栅对波长的良好选择性和上述基于光纤光栅的各种器件和技术，可以很方便地在光纤线路上实现超高速数据的波分复用和全光解复用。
因此，光纤光栅将是下一代超高速光纤通信系统中不可缺少的重要光纤器件。
1.光纤光栅在激光器中的应用在光纤通信系统中，能够进行高速调制的窄线宽单频激光器对于高速率光纤通信系统的建立具有十分重要的意义。
目前这种光源主要采用DFB或DBR结构的半导体激光器实现。
但是这种半导体单纵模激光器的芯片制作工艺复杂，成本高，不利于高速调制，并且难于实现激射波长在0.1nm精度上的严格控制。
光纤光栅的出现，在很大程度上使上述问题得到了解决。
为光纤光栅外腔半导体激光器的基本结构是将光纤布喇格光栅耦合在普通半导体激光器芯片镀有增透膜的输出端面上即构成该器件。
光栅在半导体激光器中的作用
-----半导体激光技术
问题：
首先，尽管激光二极管输出的每个单模的线宽较窄，但输出光束是多 纵模的，其单色性由激活介质的辐射线宽所决定。激光的单色性好表现 在其单模上，因此要使激光真正表现出很高的单色性来，在技术上还需 解决一个问题，就是从多模中提取单模。
其次，基于光与原子相互作用需要用激光来和原子的超精细能级相作用, 对激光的线宽要求很窄，87Rb的超精细能级的自然线宽约6MHz，因此 要想激光的线宽低于MHz量级，需要对其线宽进行压窄。
主极大位置
sin = 0， (/d)， 2(/d)， … 和缝数无关
亮度：单缝衍射和多缝干涉的总效果。
2、极小 可以证明：在两个相邻主极大之间有N-1个暗 纹。 3、次极大
相邻两极小之间有一个次极大，相邻两主极大 间有N - 2个次极大；因亮度很小，一般可不计。
在N很大时，光栅衍射的暗纹和次极大联成一 片，几乎无法分辨，形成一个暗区，把主极大 衬托的既细又明亮。
满足上面条件时出现干涉明纹 此时并未没考虑单缝的衍射影响，得到的
明纹强度都相等。
I
2
0 2
sin
d
d
dd
2.单缝衍射对光栅多光束干涉结果的修正 考虑单缝衍射影响后，必须对各级明纹的强度
做出修正。
1
2
f
每条单缝都发生衍射，所以各缝的光强是单 缝衍射后的光强。需要注意：两缝衍射强度分布 是重合的！
衍射角为时，相邻两缝间的光程差： 衍射角
(a b)sin
由振动叠加规律知，当满足 a b
(a b)sin k
k 0,1,2,
干涉相长，在方向形成明条纹。
《基于分布式光栅的光子集成混沌半导体激光器研究》范文
《基于分布式光栅的光子集成混沌半导体激光器研究》篇一一、引言随着科技的发展，光子集成技术已经成为现代光学领域的研究热点。
其中，混沌半导体激光器因其独特的非线性动力学特性和广泛的应用前景，备受关注。
本文将针对基于分布式光栅的光子集成混沌半导体激光器展开研究，探讨其工作原理、性能特点及潜在应用。
二、分布式光栅的原理与特性分布式光栅是一种具有特殊光学特性的结构，其基本原理是利用周期性结构对光波进行调制。
在光子集成混沌半导体激光器中，分布式光栅能够有效地控制光波的传播和干涉，从而实现激光器的混沌输出。
分布式光栅的特性包括高精度、高稳定性、低损耗等。
其优点在于能够通过调整光栅的周期和占空比，实现对激光器输出特性的精确控制。
此外，分布式光栅还具有较好的抗干扰能力，能够在复杂的光环境中保持稳定的输出性能。
三、光子集成混沌半导体激光器的工作原理光子集成混沌半导体激光器是一种基于半导体材料的光电器件，其工作原理是通过控制激光器的电流和温度等参数，使激光器产生混沌输出。
在光子集成技术中，将分布式光栅与其他光学元件集成在一起，形成一体化的光子集成芯片。
在混沌半导体激光器中，分布式光栅的作用是引导光波传播并产生干涉效应，从而改变激光器的输出特性。
通过调整光栅的参数，可以实现对激光器混沌输出的精确控制。
此外，混沌半导体激光器还具有高速、高带宽、低噪声等优点，使其在通信、雷达、光学传感等领域具有广泛的应用前景。
四、性能特点及应用分析基于分布式光栅的光子集成混沌半导体激光器具有以下性能特点：1. 高精度控制：通过调整分布式光栅的参数，可以实现对激光器混沌输出的精确控制，具有较高的控制精度。
2. 稳定性好：分布式光栅具有较好的抗干扰能力，能够在复杂的光环境中保持稳定的输出性能。
3. 高速、高带宽：混沌半导体激光器具有高速、高带宽的特点，适用于高速通信和雷达系统。
4. 低噪声：混沌半导体激光器的输出具有较低的噪声水平，可以提高信号的信噪比。
分布反馈式半导体激光器
半导体激光器及其应用调研报告课程题目分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用学院光电技术学院班级电科一班姓名李俊锋学号 **********任课教师张翔2013年 5 月 15 日分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用李俊锋2010031029摘要：DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈（激光器）半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。
自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一. 四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。
关键字: DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率一、分布反馈式半导体激光器简介1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,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GaAS,InAS,Insb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,目前性能较好,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。
光栅光阀实现外腔半导体激光器波长调谐研究
１ 引 言
望 的一种 技术 ， 获得大 范 围调谐 的激 光器 ， 可 近几年 已成 为开 发热 点 Ｉ 。 目前 已开 发 出基于 Ｍ Ｍ ４ Ｅ Ｓ反 射镜 和 闪 耀光 栅 的 ＭＥ ＭＳ可 调谐 激 光 器 、 ＭＳ可 ＭＥ 调谐 Ｄ Ｂ激 光 器阵 列 、 Ｃ Ｅ Ｆ Ｖ Ｓ Ｌ基 ＭＥ ＭＳ可调 谐激 光 器 等 。基 于 ＭＥ ＭＳ控 制 波 长 选 择 的激 光 器 是 通 过 控制 Ｍ ＭＳ倾斜 的反 射 镜旋 转 角 度选 择 波 长 ， Ｅ 具有 较 大 的可 调 带宽 、 高输 出功率 ， 调谐 速度 一般需 较 但 要 几秒 的 调 谐 稳 定 时 问 。 图 １是 基 于 ＭＥ ＭＳ静 电 旋转 调谐 的外腔激 光器 ， 种 激 光 器 的调 谐 范 围可 这 达 ４ ｎ 但 其 调 谐 和 转 换 的 速 度 仍 然 较 慢 （ 为 ０ ｍ， 约 １ｍｓ Ｊ ５ ） 。另 一 方 面 ， 照 ＩＵ —Ｔ 的 规 范 ， 于 按 Ｔ 用 Ｄ Ｍ（ 集 波 分 复 用 ） 光 信 号 载 波 波 长 有 严 格 ＷＤ 密 的 规 定 。各 波 长 间 隔 很 小 ， 目前 实 用 的 波 长 间 隔 为
・ 激光 技术 与应用 ・
光 栅 光 阀实 现 外 腔 半 导 体 激 光 器 波 长 调谐 研 究
周 南权 ， 陶纯 匡， 崔胜 利
（ 重庆大学数理学院 ， 重庆 ４ ０ ３ ０ ００）
摘
要 ： 据 光栅 光 阀（ Ｌ 的 技 术原 理 ， 计 了一种 实 现 外 腔半 导体 激 光器 波 长ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 谐 的实 根 Ｇ Ｖ） 设
维普资讯
第３ ８卷 第 ２期
反射式体光栅压窄线宽锁波长785nm激光器的使用
反射式体光栅压窄线宽锁波长785nm激光器的使用作者：王艳丽来源：《科技传播》2018年第08期摘要本文通过体光栅作为外腔反馈，实现线宽40dB。
在经过聚焦透镜，耦合到光纤里面，实现光纤耦合输出。
这款小型化激光器提供内置TEC，可保证在-20℃-50℃环境温度下正常工作，且该激光器蝶形封装可提供三种结构选择：自由空间、光纤耦合及模组。
更为突出的优点是，激光器可靠性很高，寿命达20 000h以上。
关键词 LD；反射式体光栅RBG；压窄线宽；锁波长中图分类号 O47 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）209-0093-03一般来说，半导体激光器（Laser Diode 简称LD）由于光谱宽，波长随电流和温度都比较敏感，改善半导体激光器的光束特性通常使用光子注入锁定和外腔反馈技术两种。
外腔反馈常用通常采用标准具、光纤光栅、闪耀光栅等光学元件进行选模。
当采用标准具作为选模元件时，单个标准具存在周期性的通带，往往由于二极管激光器的增益谱线很宽，再加上标准具的厚度不能做到很薄，（例如厚度为0.27nm的标准具的FSR大概在0.8nm左右，厚度为0.27mm的标准具制作上工艺上也很有难度），所以一般情况下会选定很多分立的发射波长，一般需要两个或多个标准具由不同自由光谱区不互相重叠实现窄线宽的输出，这样工艺较为复杂，且锁波效果不理想；采用薄膜滤光片也可以实现单个通带输出，但由于镀膜工艺的限制压窄线宽输出往往不理想，通带的半高宽较大而不能满足实际需求；利用闪耀光栅的1级衍射来实现窄线宽的输出，闪耀光栅的缺点就是效率比较低，且大功率下光栅容易发生变形而导致效率降低。
另外就是直接DFB半导体激光器和DBR半导体激光器，尽管这两种激光器可以做到比较窄的线宽，因为光栅直接在半导体激光器的腔体内，生长工艺复杂，且功率相对低，目前的成本总体很高。
本文采用光纤和柱透镜作为准直光斑光学元件，利用反射式体光栅作为外腔反馈的共同作用来压窄线宽，工艺简单，损耗低，成本相对较低，并容易实现长期稳定的窄线宽的激光输出。
分布反馈式半导体激光器相移光栅特性的研究
分布反馈式半导体激光器相移光栅特性的研究本文基于国家高新技术发展计划项目“高线性激光器和高饱和功率光探测器阵列芯片”(项目编号:2015AA016901),为研制适用于长距离光通信的1310nm四通道半导体激光器芯片,用ALDS仿真软件对分布反馈式半导体激光器(Distributed feedback semiconductor laser diode,DFB LD)的光栅类型、刻蚀位置、分布耦合系数、多相移等进行分析优化。
并与武汉光迅科技公司、中科院半导体研究所合作,对设计出的激光芯片进行生产与测试。
本论文主要包括以下几方面的研究内容:1、通过对AlGaInAs/InP材料体系与InGaAsP/InP材料体系进行分析对比,最终选用AlGaInAs/InP材料体系制备DFB LD。
2、在大量ALDS仿真实验基础上,通过对仿真结果进行分析对比,发现为了改善激光器的光场聚集,优化空间烧孔效应,决定采用折射率耦合型的非对称相移光栅,并且将光栅生长在有源层的上层。
在实际的制备过程中,用低损伤ICP干蚀法和E-beam曝光法对光栅的占空比、高度等进行精确刻蚀,有助于优化空间烧孔效应,使驰豫振荡频率得到提高,有助于芯片高速调制。
3、用MOCVD法对芯片进行外延生长,并且根据实际需要,改变生长条件,确定生长方案,得到优质的外延片,进而制备出能实现高线性大功率直接调制的1310nm四通道DFB LD。
4、借助LD结构设计和激光材料仿真软件ALDS,对激光芯片的材料体系进行对比,器件结构进行设计分析,并对芯片的各项性能进行优化,最终得到阈值电流、波长、SMSR等技术参数,为后续的分析过程提供基础。
最终成功研制出1310nm(高频响应覆盖12GHz以下频率范围)四通道,单信道芯片出光功率大于10dBm的激光阵列芯片样品。
而且,样品芯片测试结果表明,所研制的激光芯片各项技术指标均达到了项目要求,且多数优于项目要求。
Littrow结构光栅外腔半导体激光器
（3）对于级光，光程差：
L d sin0 d sin0 0
即：0 k 0
也就是说，在零级这个方向上任意波长的 光都可以出射——各波长的零级谱线是重合的。
然而由于只有发生一级闪耀的光被谐振放大， 所以从零级方向出射的光，该波长的占主导， 为激光。 闪耀光栅相当于一个半透半反镜，一级“反”， 零级“透”。
一、半导体激光器的组成及其激光产生原理
二、激光二极管产生激光的特点 三、外腔结构 四、机械设计 五、电流控制—恒流源 六、温度控制
一、半导体激光器的组成及其激光产生原理 1、组成
增益介质：半导体材料，主要有GaAs、InP、 CdS、ZnS等
泵浦源：电注入、电子束激励和光泵浦三种 主要激励方式
谐振腔：半导体晶体中垂直于PN结平面的两 个解理面（也可以是经过抛光的平面）作为反射 镜构成谐振腔
四、机械结构
五、电流控制—恒流源
由于半导体激光器具有二极管的特性，对于驱动 电源来说是一个非线性负载。
而发光功率随着驱动电流的增大而增大。 为了保证电源供电的安全、可靠、稳定以及低电 压大电流，需要一个恒定电流源。
恒定电流源的电路原理图
六、温度控制
1、温度对半导体激光器稳定度的影响 （1）阈值电流随温度升高而明显增大； （2）温度上升造成激光峰值波长向长波方向漂移； （3）激光管寿命随温度的升高呈指数规律下降； （4）温度变化引起外腔光程长度的改变，导致激光 器工作模式的不稳定。
2、PID温度控制电路
（1）原理：
温度信号
探测器
与预先设置的电
电信号
差值信号
信号做比较
信号处理
驱动制冷器
波导布拉格光栅在无源滤波器和半导体激光器中的应用研究
波导布拉格光栅在无源滤波器和半导体激光器中的应用研究一、引言波导布拉格光栅是一种重要的光学元件，其具有良好的光学性能和应用前景。
在无源滤波器和半导体激光器中的应用研究已经成为当前研究的热点之一。
本文将从原理、制备方法、应用等方面进行详细介绍。
二、波导布拉格光栅原理波导布拉格光栅是一种利用周期性折射率变化实现反射和透射的光学元件。
其原理基于布拉格衍射定律，即入射平面波在具有周期性折射率变化的介质中发生衍射时，只有特定角度下的反射波与入射波相干叠加才会形成明显的反射峰。
这个角度称为布拉格角，其大小与折射率变化周期长度有关。
三、制备方法目前制备波导布拉格光栅主要有两种方法：直写法和干涉曝光法。
1. 直写法：直接使用电子束或激光束在介质表面上进行局部加工，形成周期性折射率变化结构。
该方法具有制备简单、灵活性高等优点，但是加工速度较慢，适用于制备小尺寸、高精度的光栅。
2. 干涉曝光法：将干涉仪中的激光束分为两路，一路通过样品进行衍射，另一路作为参考光束。
通过调整干涉仪的角度和位置，使得两个光束在样品表面相遇形成干涉条纹。
然后使用化学蚀刻或离子注入等方法形成周期性折射率变化结构。
该方法具有制备速度快、适用于大面积制备等优点。
四、无源滤波器中的应用波导布拉格光栅在无源滤波器中的应用主要是利用其反射和透射特性实现对不同波长光信号的筛选和分离。
由于波导布拉格光栅具有高反射率、窄带宽、低插入损耗等优点，因此被广泛应用于通信系统中的多路复用器、分路器等设备中。
五、半导体激光器中的应用波导布拉格光栅在半导体激光器中的应用主要是利用其周期性折射率变化结构来实现激光输出波长的选择和调谐。
常见的半导体激光器包括DFB激光器、DBR激光器和VCSEL激光器等。
其中，DFB激光器是利用波导布拉格光栅实现单模输出，具有高功率、高效率、窄线宽等优点；DBR激光器是利用两个波导布拉格光栅实现多模输出，具有可调谐性和高速性能等优点；VCSEL激光器则是利用波导布拉格反射镜实现单模输出，具有低成本、易集成等优点。
激光器的种类及应用
激光器的种类及应用激光器是一种能够产生高强度、单色、相干光的装置，被广泛应用于科研、医学、工业、军事等领域。
根据激光器的工作原理和应用领域的不同，可以分为以下几种类型：1.气体激光器气体激光器利用气体电离放电激发基态原子或分子，从而产生激光。
常见的气体激光器包括CO2激光器、氦氖激光器、氩离子激光器等。
气体激光器具有较大的功率输出和较高的效率，被广泛应用于材料加工、医学、通信等领域。
2.固体激光器固体激光器利用固体材料中的色心离子或稀土离子来实现激光的产生。
常见的固体激光器有Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器等。
固体激光器具有较高的光学效率和较长的寿命，在材料加工、医学、研究等领域有广泛应用。
3.半导体激光器半导体激光器利用半导体材料中的电子与空穴的复合辐射产生激光。
常见的半导体激光器有激光二极管和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
半导体激光器具有小体积、高效率、低功率消耗等优点，被广泛应用于光通信、激光打印、激光雷达等领域。
4.光纤激光器光纤激光器是利用光纤介质中的掺杂离子来产生激光。
常见的光纤激光器有光纤光栅激光器、光纤拉曼激光器等。
光纤激光器具有输出光束质量好、稳定性高、易于集成等优点，被广泛应用于通信、激光加工等领域。
5.势能激发激光器势能激发激光器利用电能、化学能等形式的势能转化为激光的能量。
其中，化学激光器通过化学反应释放能量来产生激光，常见的有二氧化碳化学激光器；核聚变激光器通过核聚变反应释放能量来产生激光。
6.自由电子激光器自由电子激光器利用电子在磁场中的轨道运动来产生激光。
自由电子激光器具有宽波谱、高亮度和超短脉冲等优点，被广泛应用于材料表面处理、生物医学和物理研究等领域。
激光器在各个领域具有广泛的应用：1.医疗领域激光器在医学诊断和治疗中发挥着重要作用。
例如，激光刀在手术中用于切割和凝固组织；激光眼科手术用于矫正视力；激光美容仪器用于皮肤治疗和脱毛等。
2.材料加工激光器在材料切割、焊接、打孔、刻蚀等方面发挥着重要作用。
大功率半导体激光器合束技术及应用研究
大功率半导体激光束组合技术及其应用研究1.本文概述随着现代技术的发展，大功率半导体激光器在工业加工、医疗、通信等领域显示出巨大的潜力。
单个半导体激光器的输出功率往往难以满足这些领域的需求。
为此，出现了激光束组合技术，该技术将多个激光器的输出组合以实现更高功率的激光输出。
本文主要对大功率半导体激光器的合束技术进行了深入的研究和探索，分析了各种合束技术的原理、特点和应用场景，并对这些技术的未来发展进行了展望。
通过本研究，旨在为大功率半导体激光器的应用提供理论支持和实践指导，促进相关领域的技术进步。
2.半导体激光器的基本理论半导体激光器作为一种重要的光电子器件，其基本理论主要基于固态物理和量子力学。
半导体材料中的电子在受到光和电等外部刺激时会从低能级转变为高能级，形成非平衡电荷载流子。
当这些非平衡载流子通过辐射重新组合并返回到较低的能级时，它们会释放光子，产生激光。
半导体激光器的核心结构包括PN结，其中P型和N型半导体通过扩散形成PN结。
在PN结中，电子和空穴复合并释放能量。
当这种能量以光的形式释放时，就会形成激光。
激光的产生需要三个基本条件：粒子数反转、增益大于损耗和谐振腔的反馈效应。
粒子反转是指在较高能级上的粒子比在较低能级上的多的现象，这是产生激光的先决条件。
大于损耗的增益确保了光在谐振腔中的连续放大。
谐振腔的反馈效应使光在腔内多次反射和放大，最终形成高强度的激光输出。
半导体激光器的波长取决于其活性材料的能带结构。
通过选择不同的半导体材料或调整其组成，可以实现不同波长的激光输出。
通过改变谐振腔的结构和尺寸，还可以控制激光器的波长和输出特性。
在实际应用中，半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、可靠性好的优点，已广泛应用于通信、工业加工、医疗等领域。
随着技术的进步，半导体激光器将在更多的领域发挥重要作用。
3.激光光束组合技术原理高功率半导体激光束组合技术是将多个激光器的输出组合成一个高功率激光输出的技术。
光栅作为核心色散元件在光谱学天文学激光器光通信
项目名称 提名单位
大面积高精度衍射光栅刻划技术 中国科学院
提名单位
光栅作为核心色散元件，在光谱学、天文学、激光器、光通信、
意见
IC 产业等领域都有重要应用。把光栅“做大、做精”属于世界性难题，
大面积高精度光栅是制约我国相关领域技术发展的“短板”，也是各光
栅强国展开竞争的焦点。
该项目创建了中阶梯光栅普适模型，发明了刻划刀具姿态精确调
序 单位名称 应用的技术 应用对象及规 应 用 起 止 单 位 联 系 人 /
号
模
时间
电话
1 欧洲南方天 高精度衍射 天文光谱仪， 2017 年 9 Gunka
文台
光栅刻划技 试用
月至 2018 Manuela
术
年 10 月 +49893200686
7
2 中科院云南 大面积高精 光纤阵列太阳 2018 年 1 屈中权
天文台
度衍射光栅 望 远 镜 光 谱 月至今 13078730870
刻划技术 仪，6 块
3 中科院上海 高精度衍射 火星表面物质 2018 年 1 况耀武
技物所
光栅刻划技 探测仪，6 块 月至 5 月 15821296231
术
4 中科院西安 高精度衍射 中阶梯光栅光 2018 年 5 冯玉涛
光机所
光栅刻划技 谱仪，试用 月至今 18691883193
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。
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sin = 0， (/d)， 2(/d)， … 和缝数无关
亮度：单缝衍射和多缝干涉的总效果。
2、极小 可以证明：在两个相邻主极大之间有N-1个暗 纹。 3、次极大
相邻两极小之间有一个次极大，相邻两主极大 间有N - 2个次极大；因亮度很小，一般可不计。
在N很大时，光栅衍射的暗纹和次极大联成一 片，几乎无法分辨，形成一个暗区，把主极大 衬托的既细又明亮。
激光器的设计与制作
-----半导体激光技术
问题：
首先，尽管激光二极管输出的每个单模的线宽较窄，但输出光束是多 纵模的，其单色性由激活介质的辐射线宽所决定。激光的单色性好表现 在其单模上，因此要使激光真正表现出很高的单色性来，在技术上还需 解决一个问题，就是从多模中提取单模。
其次，基于光与原子相互作用需要用激光来和原子的超精细能级相作用, 对激光的线宽要求很窄，87Rb的超精细能级的自然线宽约6MHz，因此 要想激光的线宽低于MHz量级，需要对其线宽进行压窄。
外腔半导体激光器：是在半导体激光器(激光二极管)的外部引入外反馈元件
构成的。激光二极管(LD)的自然解理面构成外腔半导体激光器的内腔，内腔还 可以称为本征腔；外反馈元件与芯片端面构成的谐振腔为外腔，平面反射镜， 光栅，F一P标准具以及这些元件的组合都可以作为外腔半导体激光器的外反馈 元件。在各种外反馈元件中，光栅是目前应用最为普遍的外反馈元件。
怎么办？？？ 发展了多种基于外部光学反馈的技术手段，来解决上述问题。
外部光反馈：在半导体激光器之外附加了外反馈元件后，将加大各个模式
之间的损耗差别，外反馈仅允许一个较窄波长范围内的光能返回到激光二极 管的发光区，相当于在反馈范围内的模式的损耗曲线急剧下降。其增益损耗 差比中心处的大很多，因此，通过增益饱和模式竞争,将只允许反馈范围内的 模式存在，而其他波长处的模式被抑制。
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝Fraunhofer
（夫琅禾费）衍射
（1）光栅的结构
具有周期性的空间结构或光学性能的衍射屏，统称光栅。
大量相同的狭缝等间隔平行地排列就构成一个光栅。
种类
光
透射光栅 ，
栅 的
反射光栅。
构
造
b: 缝宽； d: 光栅的周期
光栅主要作用：分析光谱
a是透光部分的 宽度，b是不透 光部分的宽度， 光栅常量d = a
+ b，是光栅的
重要参数。
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝Fraunhofer
（夫琅禾费）衍射
（1）光栅的结构
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝Fraunhofer （夫琅禾费）衍射
L
P
衍射角
Q
o
f
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝（夫琅禾费）衍射
光栅衍射明条纹的必要条件
1、考虑多光束干涉 每条缝作为一个集体提供一光 线进行多光束干涉
四、缺级
当满足 (a b)sin时同时k满足单缝衍射极小
条件：
asin 2k' k' 1,2.....
2
光栅衍射的第k级主明纹与单缝衍射k´级暗纹重
合，k级主明纹不会出现，称为缺级现象。
k和k´的关系为：
即：
两整数之比时，缺级
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝夫琅禾费衍射
一定，a b 减少，k1 k 增大．
表示：入射光波长一定，光栅常数越小，明纹 间相隔越远。
a b 一定， 增大，k1 k 增大．
表示：光栅常数一定，入射光波长越大，明纹间相隔越远。
4、单色平行光斜入射情况
和在光栅法线同侧 时，相邻两缝的光程差
(a b)(sin sin)
I
ab 3 a1
2 a
a
ab
O
ab
a
2 sin
a
765432 101 23456 7
缺
缺
缺
缺
五、条纹特点
1、主极大 ——光栅方程
(a b)sin k (k 0,1,2.....)
k=0称为中央明纹 满足光栅方程出现的明纹称为主极大，光栅方 程是主极大的必要条件，但不是充分条件（存在 缺级）。
衍射角为时，相邻两缝间的光程差： 衍射角
(a b)sin
由振动叠加规律知，当满足 a b
(a b)sin k
k 0,1,2,
干涉相长，在方向形成明条纹。
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝Fraunhofer （夫琅禾费）衍射
(a b)sin k (k 0,1,2.....)
和在光栅法线异侧 时，相邻两缝的光程差
CA D
1
(a b)(sin sin)
B
2
P
光栅公式：
(a b)(sin sin) k
k 0,1,2.......
5、白光入射
(a b)sin k (k 0,1,2.....)
入射光为白光时，不同，不k 同，按波长分开形成光
满足上面条件时出现干涉明纹 此时并未没考虑单缝的衍射影响，得到的
明纹强度都相等。
I
2
0 2
sin
d
d
dd
2.单缝衍射对光栅多光束干涉结果的修正 考虑单缝衍射影响后，必须对各级明纹的强度
做出修正。
1
2
f
每条单缝都发生衍射，所以各缝的光强是单 缝衍射后的光强。需要注意：两缝衍射强度分布 是重合的！
谱.
I
sin
0 一级光谱
三级光谱
二级光谱
光栅单色器的工作原理
单缝
输出平行光
0级光无色散，探测不同波长的强度，主要利用一级光
6 条纹的重叠
在衍射光谱中，级数较高的谱线会发生重叠。
2、主明纹在屏幕上的位置
第k级明纹到中央明纹中心的距离 x f tan
ห้องสมุดไป่ตู้(a b)sin k sin 1 k
ab
P
x
o
f
3、明纹间相距和光栅常数、入射波长的关系
由光栅方程可得第k级主明纹与第k＋1级主明纹 之间的角距离
sin k1
sin k
ab
3、综合考虑多缝干涉和单缝衍射 条纹位置不变,由多缝干涉决定，但强度受到单
缝衍射的调制。
I
I 单缝衍射 轮廓线
光栅中狭缝条数越多，明纹越亮. 1条缝
5条缝
2条缝
6条缝
3条缝
20条缝
亮纹的光强 I N 2I（0 N：狭缝数， I 0 ：单缝光强）
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝夫琅禾费衍射