大功率半导体激光器及其应用

810nm外延结构图
• 有源层是一个张应力GaAsP量子阱结构，厚度为15nm。 • 芯层由Al0.45Ga0.65As组成。盖层为70%的AlAs。 • 随着芯层的厚度增加光束发散角和腔面承受的功率密度会而急剧减小 （LOC为大光学腔）。 • 增加腔长可以弥补由于低限制因子对增益的影响，获得高效率激光器
半导体激光器的材料选择
• 发射波长： 半导体激光 器的波长由 禁带宽度决 定-晶体材料 决定。

晶格常数与 衬底匹配
半导体激光器的三个问题：光增益、谐振腔、发光效率
3.1 半导体中的光增益
激光二极管采用注入 电流直接驱动。 pn结加正向电压，空 穴将会向n型区移动， 电子向p型区移动。在 pn结处，电子和空学 复合，产生光电子。 注入的电荷密度 1018~1019cm-3，产生 的光子就会大于损失的 早期激光二极管采用的是GaAs同质结结构。 有源层的厚度由扩散长度决定，一般为2μm。 光子。
折射率导引激光器（Index guide LD）
• 强折射率导引的掩埋异质结激光器（BH-LD）
弱折射率导引激光器
• 脊波导激光器（RWG-LD） • 改变侧向的层结构，使
有效折射率产生变化。 • 其中最容易的办法是在 P面刻蚀盖层，将一部 分波导层腐蚀，选择低 折射率材料代替，如 Al2O3或Si3N4，有效折 射率将减小。 • 在大功率器件中此结构 常被采用作为模式选择 过滤器
4. 发光效率
• F-P激光器的转换效率（插头效率）
• ηi 内量子效率，受非辐射复合和载流子泄露影响。 • 第二部分是输出耦合和总的谐振腔损耗的关系 • 第三部分代表了获得注入电流必要电压和的实际电压的关 系，包括了由芯片内、外部串联电阻引起的附加电压。 • 第四相描述激光器的工作电流超过阈值电流。

双异质结构激光二极管的结构
量子阱结构
单量子阱结构
现代的激光二极管，有源区采用量子阱结构，厚度约为10nm。
多量子阱结构
量子阱作为有源区的几点优势
• • • • 量子阱外带隙大，注入载流子被限制在QW区域产生反转。由于量 子阱很薄，注入电流密度比同质结减少了1000倍。 载流子被有效的捕捉进量子阱中，使其没必要将掺杂物质掺杂到靠 近结处。辐射复合的效率超过90%，好的材料能达到接近100%。 低掺杂导致了很低的内部损失。因此QW结构使长腔激光器有很高 的外部效率。（增加腔长来减少热效应和串联电阻） 量子阱厚度为10nm。这样的薄层允许材料的晶格常数GaAs有一些 失配。 将Ga的一部分换成In，波长将会达到1100nm。引入的张力进一步 提高了态密度的分布，阈值电流密度大概为200A/cm2。将As换成P， 波长范围可扩展到730nm。
5、其它激光器
• • • • • • • 光纤激光器 化学激光器 气动激光器 色心激光器 自由电子激光器 单原子激光器 X射线激光器
二、半导体激光器




1962年，美国，同质结GaAs半导体激光器，液氮温度下脉冲工作。 1967年，液相外延的方法制成单异质结激光器，实现了在室温下脉冲 工作。 1970年，美国的贝尔实验室制成了双异质结半导体激光器,实现了室 温连续工作。 70年代以后。量子阱技术、MBE、MOCVD新型外延技术---量子阱激 光器（阈值电流密度低、电光转换效率高、输出功率大）。应变量子 阱，生长非晶格匹配的外延材料，拓宽了激光器波长范围。 1965年 中国 北中科院北京半导体所。
Maiman （梅曼） Charles H. Townes （汤森) Arthur L. Schawlow （肖洛夫）
原子和能级
• 按量子力学理论，原子具有的能量是随原子种类不同而不 等的离散性数值，可以用电子的动能和势能之和表达。 • 原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态 之间进行。原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。 • 三种类型的跃迁：吸收、自发辐射和受激辐射。
•
在金属中，不同的能带交叠形成一个有部分充满电子的能带
•
单晶Si的二维结构和能带图
能带中电子和空穴的分布
掺杂半导体- n型半导体(As-Si)
掺杂半导体- p型半导体(B---Si)
n型半导体和p型半导体能带图
光的受激辐射、自发辐射和吸收对应的跃迁
直接带隙和间接带隙半导体
直接带隙半导体跃迁几率高， 适合做有源区发光材料 （如GaAs，InP，AlGaInAs）
hv
自发辐射
• 处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间 非常短（数量级约为10-8s），会自发地返回基态去，同时 放出一个光子。 • 这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程， 叫做自发辐射。 E3 E2 E1
自发辐射示意图
hv
自发辐射的特点
• 这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。 因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。 不同光波列是不相干的。 • 例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压 来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放 出五颜六色的光彩。
3、激光的特点
• 方向性好：激光是沿一条直线传播，能量集中在其传播方 向上。其发散角很小，一般为10-5～10-8球面度。 • 单色性强：从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的 单色光的谱线宽度约为10-2纳米，而氦氖激光器发射的 632.8纳米激光的谱线宽度只有10-9纳米。 • 亮度高：一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮 度大10亿倍。 • 相干性好：普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有 几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里，比普 通光源大几个数量级。
3.2.2 横（侧）向波导



层结构给出了有效折射率的值，这个值接近芯层折射率。 任何一个对波导结构折射率的影响都会改变有效折射率。 侧向有效折射率发生变化，波导就类似于垂直结构，与通 常的波导相似形成了芯层和盖层。 对于大功率激光二极管器，产 生一个弱波导。弱波导有更大 的基模尺寸，更低的腔面载荷 和更高的输出功率。
间接带隙半导体电子跃迁时：始态和终态的 波矢不同，必须有相应的声子参与吸收和发 射以保持动量守恒，所以跃迁几率低。 （如：Si，Ge等）
直接带隙半导体能带图
电子吸收光子跃迁到 导带上，在价带上就 会产生一个空穴。 电子—空穴对的辐射 复合而产生半导体激 光器的光增益 直接带隙半导体更容 易产生辐射。 多数的三五族化合物 半导体是直接带隙半 导体。
4、激光器的种类
• 按工作物质的性质分类 气体激光器：氦一氖气体激光器，方向性好，单色性好，输出功率和 波长能控制得很稳定。 固体激光器：典型代表有Nd3+:YAG，能量大、峰值功率高、结构紧 凑、牢固耐用等优点。 半导体激光器：以半导体为工作物质，常用材料有GaAs、InP等。具 有小型、高效率、结构简单等优点 液体激光器：有机化合物液体（染料）和无机化合物液体激光器，波 长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短的超短脉冲、可获得窄的谱线 宽度。 按工作方式区分 连续型 脉冲型
E3 E2 E1
光子的吸收
• 一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外来影响，它 将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，与该 原子发生相互作用。且hv=E2-E1，其中：E2为原子的某一 较高的能量状态-激发态。则原子就有可能吸收这一光子， 而被激发到高能态去。这一过程被称之为吸收。 • 只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时， 光子才能被吸收。 E3 E2 E1 E3 E2 E1
宽条形激光器
• 有效折射率随注入电流增加降低。 • 串联电阻和非辐射复合影响，层 结构的温度上升，使折射率上升。 • 这两种效应都可改变有效折射率， 数值为10-4~10-3。 • 在阈值处，载流子的影响占主要 作用。产生了由于折射率退化而 产生的反波导效应。反波导导致 了光学损失，在阈值附近效率有 轻微下降。 • 在阈值之上，激光器热效应的影 响占主要地位。在电流注入区的 折射率更高，使得激光器有标准 的折射率导引。效率稍有提高， 但激光发散角也稍有增长。
激光二极管
1、半导体激光器的特性
• • • • • • 转换效率高：>70%。 体积小：<1mm3 寿命长，可达数十万小时 输出波长范围广：0.6-1.1um，2~3um。 易调制：直接调制 缺点：发散角大，光束质量差。
2、半导体激光器的分类
• 半导体激光器通常可以按照 半导体材料，发射波长，器 件的结构，输出功率进行分 类。 • 大功率半导体激光器的种类： 单管：宽条形激光二极管 Bar条：线列阵激光二极管 叠层：面阵激光二极管
5、 制造技术
• 基本的半导体激光器由晶体衬底上的有源层，注 入电流的金属电极，和两个腔面面构成的谐振腔 组成。 • 制造激光器需要以下步骤 在衬底上进行外延生长 表面图形制作，形成绝缘区和导电区 解理和腔面镀膜形成谐振腔 将芯片固定在热沉上
3、 激光二极管工作原理
• 产生的激光条件

受激辐射放大 光学振荡反馈 激光的阈值条件：增益大于损耗 半导体激光器的三个问题 光增益


谐振腔
发光效率

半导体物理基础知识



能带理论 直接带隙和间接带隙半导体 能带中电子和空穴的分布 量子跃迁 半导体异质结 半导体激光器的材料选择
能带理论:晶体中原子能级分裂
• 晶体中的电子作共有化运动， 所以电子不再属于某一个原 子，而是属于整个晶体共有 晶体中原子间相互作用，导 致能级分裂，由于原子数目 巨大，所以分裂的能级非常 密集，认为是准连续的，即 形成能带 半导体中电子的能级与金属 有本质的区别，在半导体中 原子和价电子间的相互作用 使价电子分成被禁带相隔的 价带和导带。 Li原子和金属的能带结构图
•
几种波长激光二极管的材料组份
3.2 光学谐振腔
3.2.1 垂直波导结构
• 垂直结构，也就是外延 层结构，包括光波导和 采用量子阱的PN结。 • 波导的设计利用了折射 率n随禁带宽度变化这一 特点（禁带宽度增加折 射率降低）。 • QW被镶嵌在高折射率 材料的核心区，盖层的 折射率比核心区要低。
使激光技术能够更好的为人类创造美好生活。
1、激光的概念
• 激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ，LASER）一词是受激辐射光放大。 • 1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验室中做成 了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。 • 我国于1961年研制出第一台激光器（长春光机所，长春光 机学院） • 从此以后，激光技术得到了迅速发展，引起了科学技术领 域的巨大变化。
分别限制异质结（SCH）
AlAs： 折射率为2.9，禁带宽度2.9eV。
GaAs：折射率为3.5，禁带宽度1.4eV。
垂直波导结构的设计
• 对于大功率，高效率激光二极管，波导的设计就是对几个 不利因素的优化 。 • 对于TM模，限制因子Γ：
• 光束的强限制因子导致了大的腔面载荷和大的光束发散 • 层结构影响串联电阻和热阻。 • 好的墙插效率和热稳定性需要对薄层结构的光波进行优化
受激辐射
• 激发态的原子，受到某一外来光子的作用，而且外来光子 的能量恰好满足hv=E2-E1，原子就有可能从激发态E2跃迁 至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态 的光子。这一过程被称为受激辐射 E2
hv
E2
hv hv
E1
受激辐射示意图
E1
2、产生激光的必要条件
• 粒子数反转：选择具有适当能级结构的工作物质，在工作 物质中能形成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件； • 光学谐振腔：选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生 受激辐射光束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、 单色性、强度等极高的激光束； • 一定的阈值条件：外部的工作环境必须满足一定的阈值条 件，以促成激光的产生。
大功率半导体激光器及应用
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室 马晓辉
概 述
一来自百度文库激光
二、半导体激光器 三、大功率半导体激光器研究进展 四、半导体激光器的典型应用 五、半导体激光器市场及发展前景
一、激 光
• 激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术， 并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探索 自然和改造自然的强有力工具。 • 与电子电力技术、自动化测控技术的完美结合，