半导体激光器原理及应用

理想的高斯场分布
• 显然，当d很小时，可忽略上 式分母中的第二项，有 可见，ө随4.d05的(n2增2 加n12而)d 增加
半导体激光器发散角与有缘层厚度的关系
高斯光速的准直 利用自聚焦透镜准直半导体激光束
第q阶模与主模功率之比为：
Pq
1
P0 1 (Po / Pqsat )
要想得到近乎单纵模输出，必须使Pq/P0
半导体激光器原理及 应用
姓名：徐钦锋 学号：20164208084
CONTENTS
目 录
1 半导体激光器工作原理 2 半导体激光器的主要性能 3 密集波分复用半导体激光器 4 半导体激光器的应用
自发辐射与受激辐射
• （取a决）于自半发导辐体射禁h：v带 E2宽 E度1 及特复点合：中独心立密、度杂等乱，无一章般的为非1相0-9干~1光0-3、量寿级命
观察可知，激光能量向主模转移，峰值波长发生红移
半导体激光器的特性
• 阈值是所有激光器的属性，标志着增益与损耗的平衡点。
• 阈值常用电流密度Jth或者电流I表示。 • 影响激光器阈值特性的主要因素：
1）器件结构 2）有源区材料 3）器件工作温度
• 有源区材料的影响：有源区的材料必须选用直接带隙材料， 材料的组分变化将会引起直接带隙和间接带隙跃迁的比率 发生变化，从而改变辐射频率的波长。
光子。这一过程被称为受激辐射
E
E
2
hv 2
hv hv
E
E
1 受激辐1射示意图
• 在热平衡状态下，粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律：
k为玻耳兹曼常数，N2、gNN212和 ggN12 1ex、p[ g(1E2分 E别1)k为T] 高能态E2和低能态E1 的粒子数和统计权重。由于E2>E1，T>0，故N1>N2 ，即高能态 上的粒子总少于低能态上的粒子数。于是原子系统的受激吸收 过程总占优势。采用适当的激励，破坏热平衡状态，使高能态 粒子数多于Байду номын сангаас能态粒子数，即为粒子束反转。
纵模：共振腔内沿腔轴方向形成的各
种可 谐振腔的纵模
L
m(
能的驻波称为
)
2n
稳定工作时，平面波在腔内往返一次强度E0保持不变，
有E0：exp(gL) R1R2 exp(intL)exp(i2KL) E0
g为功率增益系数，L为腔长，K=nw/c为平面波的波数， αint为腔内总损耗率
将等式两边的振幅g 和 相int位分21L别ln相( R等11R，2 )得：
故：可通过薄膜生长工艺获得不同的有缘材料
Jth (T ) Jth (Tr )exp((T Tt ) /T0)
T0
p
激光器所发射的光功率 激光器所消耗的电功率
Pex IV I 2rs
(IEg
Pex / e)
I 2rs
D
dP / hv dI / e
dP dI
1 Vb
s( dP / dI)
s
(I
Pex Ith )Vb
s
s
P2 I2
P1 I1
• 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，亦
称为远场分布。有横模和侧模
之分。纵模是一种频谱，表示
所发射的光束功率在不同频率 分量上的分布。
半导体激光器横模与侧模
有多侧模的半导体激光器的近场和远场
可见，若要选频，就要控制温度，要稳 定功率输出，也要选择恒温控制
• 半粒导子体束激 反光转器。通过光激励或正向PN结注入等，来实现载流子的
• 为使发射光具有激光的特点，必须使 其产生谐振。能使光产生共振的装置 即为谐振腔。
• 只有与轴线平行的辐射光子产生共振 现象而被增强，不在这个方向上的将 被反射出腔外。
• 两相反方向的光波，只有叠加形成驻 波时，才能形成稳定的振荡。驻波条 件：
半导体激光器的光束发散角
半导体激光器的远
场并非严格的高斯
光束，有较大的且
1
4.05(n22 n12)d / 4.05(n22 n12) /1.2 (d
/
)2
在称式为横光中激向束，光和发器n2和侧散有d向角缘分不。层别对由的 于折半射导率体和激厚光度器；有n1 缘为层限较制薄层，的因折而射在率
锁模相当于使谱线的振幅及相位相关。锁模的 分类： 主动锁模：周期性调制谐振腔的损耗或光程n 被动锁模：利用可饱和吸收体的非线性吸收特 性，对腔内激光的吸收是随光场强度而变化的 自锁模：激活介质本身的非线性效应能够保持 各个纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相 位关系
半导体激光器在不同工作电流下的模谱
从图PP1s0a中t 10可*log以(Po / P看1 1) 出短腔长和高腔面反射率， 激光器单模工作。
上面曲线给出了LD线宽与1/P之间的关系、
td
th
ln
I
I Ith
td
th
ln
I
I (Ith
Ib)
归一化输出与调制频率的关系
图中是一个π型低通滤波LCR电路 与LD的等效电路并联。其中C1和rs 分别是半导体激光器的寄生电容（ <1pF）和串联电阻（一般为数欧 姆，在正向偏置下有源区的电阻 <1欧姆），L1为引线电感Cs为旁 路电容，选择并控制Cs和L1可明 显抑制类谐振现象。
• （b）受激辐射：受激发射出的光子频率，相位和方向都与入射光
子 相同。
h
• •
（产c生）激受光激的吸必收要：条原件子：接受收激辐辐射h射能占主从导基地态位能级E1越入受激能级E2。
自发辐射的特点
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
2KL 2m
v vm mc / 2nL
两个公式前者规定了增益和电流的最小值，后者规 定激光器的振荡频率——纵向模式，其与光学谐振 腔有关
法布里-珀罗光学谐振腔
激光器纵模分布及增益曲线
激光束的锁模： 锁模技术就是采用一定的调制方法，使激光振 荡不同频率各纵模之间有确定的相位关系，即 各纵模相邻频率间隔相等。在一般谐振腔内， 处于激光介质的增益大于谐振腔损耗频率范围 内的纵模有几百个。在频域范畴内，激光辐射 由许多纵模间隔为 C/2L 的谱线组成。这些模 彼此互不相关地进行振荡，其相位随机地分布 在一π 到十π 之间。其时域输出特征类似热噪 声。但是，如果迫使振荡模彼此之间的相位关 系保持固定，那么激光输出将以完全确定的形 式变化。此时，我们说激光是锁模或锁相的。