半导体激光器

主要内容半导体激光器制作的理论基础机械结构电流源与温控背景介绍一、激光的发展简史

1916年，爱因斯坦提出了“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。

1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。

这两次发明开创了传统的固体激器和气体激光器的时代，自此，激光走上了高速发展的道路。此后，半导体激光器、染料激光器、自由电子激光器都在相应学科的支持下出现。特别是八十年代，随着光电子学和半导体技术的发展，光纤激光器和孤子激光器相继出现，将激光引入以光电子和微电子为主的信息时代。

1962年，He－Ne气体激光器在美国贝尔实验室研制成功。

1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。

Maiman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。电子总是先填充低能级，0K时，价带中填满了电子，而导带中没有电子。能带与能带之间不容许电子存在，称为禁带；由价电子能级（基态能级）分裂的能带称为价带；由激发态能级分裂得到的能带称为导带。光子的特点：非相干光(a)自发辐射初态E2E1hυ=E2-E1终态E2E1(1)自发辐射在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。自发辐射和受激辐射自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。光子的特点：相干光(b)受激辐射终态E2E1hυ初态E2E1(2)受激辐射在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。受激辐射和自发辐射区别在于是否有外来光子的参与，且产生的光的特点很不相同。

产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位(c)受激吸收hυ初态E2E1终态E2E1终态E2E1hυ初态E2E1(b)受激辐射受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hυ式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，υ为吸收或辐射的光子频率。在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴。(3)受激吸收粒子数反转受激辐射自发辐射激光激发放大粒子数能量三能级量子放大原理（甲)激发放大粒子数能量三能级量子放大原理（乙)如何得到粒子数反转分布的状态呢?问题：分布反转导带价带（a）平衡态导带价带（b）分布反转状态密度与能量的关系T=0K下直接带隙半导体中能量，密度n（E）与能量E的关系。价带电子导带底引起导带电子向价带跃迁非平衡载流子空穴准费米能级电子准费米能级产生受激辐射受激辐射占主导地位，得到光量子放大。P-n结激光器原理P-n结激光器，也称激光二极管。P区及N区必须重参杂，一般达平衡时，费米能级位于P区的价带及N区的导带（1）注入机构结区厚为几十微米，面积约小1mm^2，是激光器的核心部分，称为“激活区”。hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场正向偏压下P-N结能带图获得粒子数反转分布产生粒子数反转分布的条件：加正向偏压V时，P-N结势垒降低，N区向P区注入电子，P区向N区注入空穴，P-N结处于非平衡状态。（2）激光的产生①共振腔（m=整数）半导体激光器的光学谐振腔：利用与P-N结平面相垂直的自然解理面构成，它有35%的反射率。镀二氧化硅和银，可达95％以上。只允许半波长整数倍正好等于共振腔长度的驻波存在：满足此式的一系列特定波长的受激辐射在共振腔内形成振荡，不符合条件的波逐渐损耗。影响阈值的几个因素：（1）掺杂浓度越大，阈值越小。（2）谐振腔损耗越小（增大反射率）阈值就低。（3）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加，最好在低温和室温下工作。阈值电流：当注入P-N结的电流较低时，只有自发辐射产生;达阈值电流时，P-N结产生激光。②增益和阈值电流密度增益等于全部损耗，阈值增益为：在注入电流的作用下，激活区内受激辐射不断增强，称为增益；辐射在共振腔内来回反射时，有能量损耗，主要包括：载流子吸收、缺陷散射、端面透射损耗等。③激光的光谱分布A、低于阈值电流时，辐射主要是自发辐射，谱线相当宽；B、随着电流增大，受激辐射逐渐增强，谱线变窄，当接近阈值电流时出现一系列峰值；C、电流等于或大于阈值电流时，发生共振，对应一特定的波长λ，出现谱线很窄、辐射强度骤增的谱线。激光光谱分布曲线激光发射必须满足三个基本条件：1、形成分布反转，使受激辐射占优势；2、具有共振腔，以实现光量子放大；3、至少达到阈值电流密度，使增益至少等于损耗。增益介质:实现粒子数反转激励源：使原子被激发

谐振腔：光放大作用同质结和异质结半导体激光器单异质结半导体激光器双异质结半导体激光器同质结半导体激光器半导体激光器又称为半导体激光二极管，或简称激光二极管，英文缩写为LD

(LaserDiode)，是实用中最重要的一类激光器。优点：体积小、效率高、寿命长，可采用简单的电流注入方式来泵浦；其工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成；并且还可用高达GHZ的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出，可实行温度调谐和电流调谐。

半导体激光器材料：N型:掺入五价元素如P，P型:掺入三价元素如B半导体激光器电流特性半导体激光器是依靠载流子直接注入而工作的，注入电流的稳定性对激光器的输出有直接的、明显的影响。因此，要求半导体激光器的电源是一个恒流源，应该具有很高的电流稳定度和很小的波纹系数，否则激光器的工作状态就会受到影响。电流放大器电流电压转换基准电压采样负载反馈激光器恒流源电路设计图温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不再受激辐射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特征温度。半导体激光器对温度十分敏感，其输出功率随温度会发生很大变化，其主要原因为：温度特性（1）激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大。（2）外微分量子效率ηd随温度升高而减小。温度的升高使激光器的阈值电流增加，发射波长红移，造成模式的不稳定、增加内部缺陷、严重的影响器件的寿命，给应用带来很大困难。如不将产生的热量移去，将造成一种恶性循环，使激光器很快失效。器件寿命减小一半激光器温控电路设计图半导体激光器温度传感器高精度放大电路PID控制制冷器驱动机构光栅反馈半导体激光器1、激光器输出波长的调节是通过改变光栅的角度来实现的，激