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文档简介
1、第八讲 半导体激光器(一)1 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2 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。 3 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 4 光与物质相互作用的三种基本方式 自发辐射无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级,同时释放出光子。 受激辐射高能级电子受到外来光作用,被迫跃迁到低能级,同时释放出光子,且产生的新光子与外来激励光子同频同方向,为相干光。 受激吸收低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到
2、高能级。 5 E2 E1 E2 E1 hf12 hf12 hf12 hf12 初态 终态(b)自发辐射(c)受激辐射(a)受激吸收 能级与电子跃迁示意图6 粒子数反转分布 设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为N1和N2物质在正常状态下N1N2,受激吸收与受激辐射的速率分别比例于N1和N2且比例系数相等,此时光通过该物质时,光强会衰减,物质为吸收物质。若N2N1,受激吸收小于受激辐射,光通过该物质时,光强会放大,该物质成为激活物质。N2N1的分布与正常状态相反,故称为粒子数反转分布。7 半导体的能带和电子分布 能量价带价带EgEfEf/2Ef/2EgEfEeEvEvEeEgEfEeEv
3、(a)本征半导体(b)N型半导体(c)P型半导体空穴电子8能带电子所处的能态扩展成的连续分布的能级。价带能量低的能带。导带能量高的能带。禁带Eg导带底的能量Ee 和价带顶能量Ev间的能量差在热平衡状态下,能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 费米能级 用于描述半导体中各能级被电子占据的状态,在费米能级,被电子占据和空穴占据的概率相同。在本征半导体中, 位于禁带中央;N型半导体中 增大;在P型半导体中 减小。exp11)(KTEEEPffEfEfE9 PN结的能带和电子分布 PN结空间电场区P区N区+ + + + + + Ef能量EePEVPEeNEVNP区N区EVPEePEeNEVNEfN
4、EfPhfhf10 PN结界面上由于多数载流子扩散运动形成内部空间电场区,该电场导致载流子的漂移运动,无外加电压时,两种运动处于平衡状态,能带发生倾斜。当外加正向电压时,内部电场被削弱,扩散运动加强,能带倾斜减小,在PN结形成一个增益区(粒子数反转分布区)可产生自发辐射。11 光学谐振腔 光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成。腔内物质具备粒子数反转分布,可用其产生的自发辐射光作入射光,经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大,沿非轴线方向传播的光被减弱,反射光经反射镜多次反射不断被放大,方向性不断改善,使增益大幅度提高。12 激光振荡 激活物质在被置于光学谐振腔后,能对光的频率和
5、方向进行选择,可获得连续的光放大和激光振荡输出激光起振阈值条件:腔内增益与损耗相当时开始建立稳定的激光振荡,阈值条件为: 是 阈值增益系数; 是谐振腔内激活物质的损耗系数; 为谐振腔长度 激光振荡的相位条件为: 或nqL2nLL2LRRht2)1ln(21htL13 半导体激光器的基本结构同质结单异质结(LH)双异质结(DH) 14 双异质结(DH)LD的结构限制层GayAl1-yAs有源层GaAs限制层GaXAl1-XAsGaAs衬底光辐射金属接触15 双异质结(DH)LD的工作原理示意图P GayAl1-yAsP GaAsN GaXAl1-XAsE能量N折射率P光功率电子复合异质势垒空穴5%+(b)(a)(d)(c)16 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
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