半导体激光器

1、半导体激光 激光原理 爱因斯坦研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光。激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是通过受激发射光扩大。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光的特点 （一）定向发光 1962年，人类第一次使用激光照射

2、月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。 （二）亮度极高 红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。 （三）颜色极纯 （四）能量密度极大 光与物质的相互作用 实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。 微观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分立的）。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的 状态（或者简单地表述为

3、处在某一个能级上）。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差E，频率为=E/h（h为普朗克常量）。 1. 受激吸收（简称吸收） 处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。 2. 自发辐射 粒子受到激发而进入的高能态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，既使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级（E2）向低能级（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率 =（E2

4、-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致，是物理上所说的非相干光。 图（1-6）自发辐射3. 受激辐射、激光 1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。 图（1-9）光的受激辐射过程分布反转（粒子数反转）处在激发态E2（高能级）的原子数大于处于基态E1（低能级）的原子数的情况。在这种情

5、况下注入一定角频率12的光子流时，能级E1及E2间光的吸收和受激辐射是同时存在的，而且两者的跃迁概率相等。但是受激辐射是超过吸收过程的。这种现象称为光子放大。粒子数反转示意图 3)能实现粒子数反转的物质工作物质 有适当的能级结构，亚稳态Nd:YAGNd:YVO4Nd:YLFRuby 必须能在该物质中实现粒子数反转。可以是气体、液体、固体或半导体。现已有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到远红外波段半导体中形成分布反转的条件T=0K时，价带均为电子填满，导带全部是空的。用能量大于Eg的光子来激发，使价带电子不断向导带跃迁，则产生非平衡载流子。在一定范围内，导带中沾满电子，价带是空的。温度为T时，

6、受激辐射超过光吸收的必要条件，就是达到分布反转的条件。即电子和空穴的费米能级之差大于入射光子量。粒子数反转必须具备的条件： 能量的供应过程激励（光泵浦）工作物质内必须存在亚稳态能级 亚稳态不如基态稳定，但比激发态稳定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有亚稳态，可实现粒子数反转。亚稳态E2基态E1激发态E3三能级系统示意图E1与E2之间产生以受激辐射为主的跃迁激励无辐射跃迁光学谐振腔 使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置全反射镜M1部分反射镜M2激光工作物质作用选择激光的方向选择激光的频率激励能源 实现了粒子数反转，解决了受激辐射与吸收过程的矛盾，但还

7、不能产生激光。要产生激光还需要一个光学谐振腔。 所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装上两块反射率很高的平面镜，一块平面镜对光几乎全反射，另一块则让光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。 光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。 反射镜的一个作用是使光沿工作物质轴线在反射镜间来回反射，每经过一次工作物质光就得到一次放大，被反射回到工作物质的光，继续诱发新的受激辐射，光在谐振腔内来回振荡，造成连锁反应，雪崩式地获得放大。 受激辐射的起始光信号来源于自发辐射，而自发辐射的光包含较大的波长范围，这

8、样较大范围的波长都有可能被放大，从而导致了非单一波长的光输出。在反射镜上镀一层对一定波长光具有反射率的薄膜，使只有该波长的光才能在谐振腔内来回反射，而其它波长的光在经过一次反射镜时就逸出腔外。激励源，泵浦(抽运)。 为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法激励原子体系，使处于高能级的粒子数增加。用气体放电的办法激发物质原子，称为电激励，也可用脉冲光源去照射工作物质，称为光激励，还有热激励，化学激励等。为了不断地得到激光输出，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去， 激励源形象地称为泵。 半导体激光器半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的

9、具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（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。工作原理及特点半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)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。 半导体激光器激光器优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等特点Pn结半导体激光器Pn结激光器，也

10、称激光二极管。注入机构激光的产生注入机构为实现分布反转，p区及n区都必须重掺杂。零偏压平衡时，费米能级位于P区的价带及n区的导带内。正向偏压当加正向偏压V时，pn结势垒降低；n区向p区注入电子，p区向n区注入空穴。这时，pn结处于非平衡态。准费米能级之间距离为qV,因为是重掺杂的，平衡时势垒很高。即使正向偏压很大，也不足以使得势垒消失。只是出现分布反转。2.激光的产生在激活区，开始时是非平衡电子空穴对自发的复合，引起自发辐射，发射一定能量的光子。大部分光子直接传出激活区；小部分光子严格在pn结平面内传播，因而相继引起其他电子对空穴的受激辐射，产生更多能量相同的光子。(1)共振腔Pn结激光器中，

11、垂直于截面的两个严格平行的晶体解理面形成所谓法布里珀罗共振腔。（2）增益和阀值电流密度在注入电流的作用下，激活区内受激辐射不断增前，成为增益。另一方面，辐射在共振腔内来回反射，有能量损耗，主要包括载流子吸收，缺陷散射及端面透射损耗。增益等于损耗是的注入电流密度成为阀值电流密度。（3）激光的光谱分布低于阀值的电流时，辐射主要是自发辐射，谱线相当宽。随着电流的增大，受激辐射逐渐增强，谱线变窄。当接近阀值电流时，谱线出现一系列峰值。这说明对应这些峰值的特定波长，发生较集中的受激辐射。这些波长就是共振腔中形成驻波波长。几种典型的光谱分布激光发射的三个基本条件形成分布反转，使受激辐射占优势具有共振腔，以

12、实现光量子放大至少达到阀值电流密度，使增益至少等于损耗。直接带隙和间接带隙半导体导带底和价带顶对应着相同k值,即k=0点,导带底和价带顶的能量间距称为禁带宽度禁带宽度用Eg表示。导带和价带的极值位于k空间同一点(但一般不要求是k=0点)的半导体称为直接禁带半导体另有一类在电子学中非常重要的半导体材料,如Si和Ge等,导带底和价带顶不在k空间同一点,称为间接禁带半导体,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）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。直接跃迁电

13、子在跃迁过程中必须满足动量守恒,在光跃迁中 h k- h k=h kpt式中,k和k分别为电子初态和末态波矢,kpt 为光子波矢。通常k pt 比k小4个量级左右,因此,可以认为纯光跃迁过程满足选择定则 h k=h k电子的跃迁发生在k空间同一点,并称之为竖直跃迁或直接跃迁，在直接跃迁中,辐射光子满足间接跃迁 如果跃迁发生在波矢相差较大的两态之间,则表明有声子参加过程动量守恒有 h k-h kh kpn 式中,kpn 为声子波矢,k pn 一般比k小1个量级左右。初态与末态相应于k空间不同点的电子跃迁称为非竖直跃迁或间接跃迁。在这种跃迁中,发射或吸收一个光子的同时,必须伴随发射或吸收一个适当波

14、数的声子,以满足动量守恒,因而属于二级过程。其几率比属于一级过程的纯光跃迁小得多,故不适合用于激光发射。本征半导体激发在平衡状态下,本征半导体材料中的电子基本处于价带,导带中只有很少电子,且主要集中在导带底部。当材料受到某种激发时,价带中的部分电子跃迁到导带,并在价带中形成与激发电子等量的空穴。导带中的电子可以自发地,或受激地向下跃迁回到价带,与那里的空穴复合,导致复合发光。 可见半导体材料中的导带和价带分别相应于二能级原子系统中的激光上、下能级。杂质半导体激发1）当两种材料未接触时 n型材料导带中有过剩电子,相当于E F 上移; p型材料价带中有过剩空穴,相当于E F 下移,这时不同区域有各

15、自的Femi能级两种材料实际为同一种基质中分别掺以施主或受主杂质,则形成的pn结称为同质结;如果两种材料的基质不同,则得到异质结。双异质结结构工作原理示意图光电转换效率光功率特性频率特性半导体激光器的直接频率特性温度特性P-I曲线随温度变化示意图半导体激光器的应用 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，量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、单极性注人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

16、展信息、通信、家电产业及军事装备不可缺少的重要基础器件。半导体激光器的应用长波长激光器(1976年，人们用 GanAsP/InP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.自从实现了GaInN/GaN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。蓝光激光器半导体激光器的应用 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

17、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.可见光激光器面发射激光器半导体激光器的应用 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（3.5lm)LD在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗口、自由空间通信、大气监视和化学光谱学等方面有广泛的应用. 半导体激光器的应用 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。 垂直腔面激光发射器在半导体激光