第二章：激光材料2

激光的能级系统E1和E2能级上单位体积的原子数分别为n1和n2。原子的吸收速率和受激辐射速率都等于wA21是自发辐射系数n2的变化率:吸收和辐射平衡时：1、二能级系统2、三能级系统，红宝石激光器n2，n3的变化率:吸收和辐射平衡时：3、四能级系统在外界激励的条件下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，又迅速转移到E3，E3是亚稳态寿命长，E2能级寿命短，到了E2能级的粒子很快回到基态。因此，四能级系统的粒子数反转是E2和E3之间。红宝石激光器（1）红宝石晶体红宝石的化学表示式为Cr3+:Al203,其激活离子是三价铬离子Cr3+,基质是刚玉晶体(化学成分是A12O3)。红宝石是在Al2O3中掺入适量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。掺入Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相应的Cr3+密度为ntot=1.58x1019cm-3。

红宝石晶体结构红宝石的基本物理化学特性莫氏硬度9熔点2050（摄氏度）热导率0.42W/cmK(300K)10W/cmK(77K)热膨胀系数6.7E-6K-1(平行于c）5.0E-6K-1(垂直于c）化学性质稳定，抗腐蚀Cr3+在很强的晶格场作用下,其能级发生很大的变化,呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。4A2是基态又是激光下能级,其简并度g1=4,2E是亚稳态,它是由能量差为29cm的2A和E二能级组成,其简并度都为2。4F1和4F2是两个吸收能带。红宝石中铬离子的能级结构红宝石激光器工作特征原子Cr的外层电子组态为3d54s1,掺入Al2O3后失去外层三个电子成为三价铬离子Cr3+，Cr3+的最外层电子组态为3d3。由4A2向4F1跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在0.41um附近,称为紫带或U带。由4A2向4F2跃迁吸收黄绿光,峰值波长在0.55μm附近,称为绿带或Y带。这是两个很强很宽的吸收谱带,吸收带宽均约0.1um左右。由于红宝石晶体的各向异性,它的吸收特性与光的偏振状态有关。红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石中铬离子的能级结构红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产生的,室温下对应的中心波长分别为0.6943um和0.6929um。通常红宝石激光器中只有

R1=0.6943μm线才能形成激光输出。（1）亚稳态能级2E分裂成2A和E两能级，跃迁到2E上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于2A和E上,2A能级上约占47%，E能级上约占53%。E能级比2A能级有更多的粒子数。（2）由于R1线荧光强度比R2线高,使得R1线的受激辐射几率比R2线高。因此,R1线容易达到阈值而形成激光振荡。红宝石中铬离子的能级结构为什么红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射？（3）2A和E相距很近,一旦E上的粒子跃迁后,2A上的粒子便迅速地(约10ns)转移到E上去,这就加强了R1线,而抑制了R2线。在激光脉冲持续时间远大于10-9s时,亚稳态上的位子均将通过R1线的受激辐射回到基态,因此可把E,2A合并起来看成一个简并度g2=4的能级。缺点是阈值高(因是三能级)和性能易随温度变化。优点:机械强度高,能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大尺寸;亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输出;荧光谱线较宽,容易获得大能量的单模输出;低温性能良好,可得到连续输出;红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为人眼可见,而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。因此,红宝石仍属一种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调Q器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输出(用这类器件已成功地对载有角反射器的人造卫星进行了测距试验)。多级放大器件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石激光器的优缺点Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+,基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比,此时Nd3+的密度为1.38×1020cm-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A1203、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶系,是各向同性晶体。掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3＋)Nd3＋:YAG晶体的吸收光谱Nd3＋:YAG的能级结构掺Nd3＋的YAG中属于四能级系统。

掺钕钇铝石榴石激光器工作特征1.06um比1.35um的荧光约强四倍,1.06um的谱线先起振,进而抑制1.35um谱线起振,所以Nd3+:YAG激光器通常只产生1.06um激光。1961年出现钕玻璃激光器。钕玻璃是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。最佳掺入Nd2O3量为1%~5%重量比。对应3%的掺入量,Nd3+的浓度为3×1020/cm3。Nd3+在硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。优点：玻璃的制备工艺比较成熟,易获得良争好的光学均匀性,玻璃的形状和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达1~2m,直径30~100mm,可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维,用于集成光路中的光放大或振荡。缺点：钕玻璃最大的缺点是导热率太低,热胀系数太大,因此不适于作连续器件和高频运转的器件,且在应用时要特别注意防止自身破坏。钕玻璃激光器E4:含三个吸收带(抽运能带)*(吸收特定波长的光而跃迁到这三个吸收带)(中心波长5900A)(...............7500A)(...............8000A)E3:三条激光谱线公共的激光上能级

E2:含二条激光谱线的二个激光下能级(四能级系统),即(,对应1.4μm

谱线)(,对应1.06μm谱线)

钕玻璃激光器工作特征E1:基态,一条激光谱线的激光下能级(三能级系统):(对应0.9μm谱线)

跃迁谱线:

①1.06μm:四能级系统,跃迁几率大,通常可观察到;

②1.4μm:四能级系统,跃迁几率较小,不一定可观察到;③0.9μm:三能级系统,难实现粒子数反转,一般不出现.一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。固体激光器的泵浦系统惰性气体放电灯(灯内充入氙山、氪等惰性气体)金属蒸气灯(灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）卤化物灯(碘钨灯、镊钨灯等)半导体激光器日光泵(用聚光镜将日光会聚到激光棒中)常用的泵浦光源脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高,是红宝石钕玻璃和Nd:YAG脉冲激光器中应用最广泛的一种灯.氪灯在低电流密度下工作时,其辐射光谱与Nd:YAG泵浦吸收带相匹配,故在连续和小能量脉冲Nd:YAG器件中得到比较多的采用。碘钨灯用220V电压即可,使用简单、方便,在功率小于1OW的连续Nd:YAG器件中可以应用。红宝石连续激光器多用高压乘蒸气灯,它的辐射谱与红宝石吸收谱能很好的匹配。砷化镓半导体激光器体积小,产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹配,可用于小型掺铁激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。灯泵浦系统包括泵灯和聚光器。二、泵浦光源应当满足两个基本条件。①有很高的发光效率②辐射的光谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配.电极是用高熔点、高电子发射率,又不易溅射的金属材料制成。常用的电极材料有钨，钍钨，钡钨和铈钨。高功率灯的电极要设计成水冷结构,见图(b)。灯管材料用机械强度高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。灯管内充入氙(Xe)、氪(kr)气体。惰性气体放电灯的结构电极灯管充入的气体聚光器的作用：将泵浦光源辐射的光能最大限度地聚集到工作物质上去聚光器设计得好坏直接影响激光器的转换效率和激光性能。聚光器（泵浦腔）聚光器的分类：椭圆柱聚光器圆柱聚光器这种聚光器的内反射表面的横截面是一椭圆。“焦上放置”——如果把直管灯和棒分别置于椭圆柱聚光器的两条焦线上(如图a所示),则可以得到比较好的聚光效果。“焦外放置”——将泵灯和激光棒平行地安置在焦线和腔壁之间(如图b所示)。图b椭圆腔的焦外几何光路图a椭圆柱聚光腔椭圆柱聚光器椭圆长轴上焦点外任意点发出的光,经椭圆反射后必交于另一端焦点外的长轴上,因此,焦外放置的棒可以截获焦外放置的泵灯所辐射的大部分能量。焦外放置不如焦上放置成象质量好,但采用焦外放置,结构设计上可以做得比较紧凑。设椭圆的长半轴为a,短半轴为b,焦距为2c,偏心率为e=c/a.为了尽可能利用沿轴向发射的泵灯光能,在椭圆柱的两端应有反射端面。但当聚光器横向尺寸较小,而轴向尺寸比棒、灯长得多时,两端也可以不加反射面,因为此时可利用的轴向光能很少。cabO在灯内径和激光工作物质确定后,e越小,聚光器的聚光效率越高,因为e小,泵灯截面经椭圆面反射后成象弥散小,光能被工作物质截获得多。但e太小,意味着a大或c小.a大则聚光器尺寸大。c小则二焦点靠得近,采用"焦点"放置时则灯和工作物质靠得近,直照强,容易造成工作物质光照不均匀,影响激光光斑质量.因此,一般取e=0.4为宜。这种聚光器的内反射表面是一个圆柱空腔,激光棒和泵灯置于轴线两侧.由于圆相当于焦点重合的椭圆,因此圆柱聚光器内棒、灯的放置相当于椭圆柱聚光器的"焦外放置"。圆柱聚光器对泵浦光的聚焦能力不如椭圆柱聚光器强,而且在同样棒、灯直径情况下,圆柱聚光器横截面积大,体积也大。但圆柱聚光器具有结构简单、加工方便等优点。圆柱聚光器两种聚光器的比较三、固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。四、泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。一、氦-氖(He-Ne)激光器气体激光器放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He,Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用热胀系数小的石英玻璃制作。

He-Ne激光器激光管激光电源放电管：毛细管和贮气室电极光学谐振腔组成。He-Ne激光器的基本结构形式氦-氖(He-Ne)激光器基本结构形式

He－Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%～2％，凹面镜为全反射镜。

He－Ne激光管的结构形式是多种多样的，按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。将谐振腔的两反射镜调整好后，用胶固定在放电管的两端。优点：使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结构紧凑、不易碎裂，安装方便。缺点：在工作过程中放电管受热变形时，谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无法清除。并且由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使用寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管功率的稳定性不如旁轴式。内腔式

优点：这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。同时溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。放电管的两端贴有布儒斯特窗片，还可使激光得到线偏振的激光输出。缺点：由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方便.但体积大，安装使用不方便，易破碎。外腔式氦和氖原子的能级图

与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图激光器的工作气体是He和Ne，其中产生激光跃迁的是Ne气，He是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速率。He原子有两个电子，没激发时这两个原子都分布在1S0壳层上，He原子处于基态。当He原子受激时，使其中一个电子从1S激发到2S，He原子成为激发态。He原子有两个亚稳态能级，分别记为23S1、21S0。与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图氖原子的能级图

Ne原子有10个电子，基态1S0(电子分布为1S22S22P6)。激发态为1S、2S、3S、2P、3P等，它们对应的外层电子组态分别为2P53s、2P54s、2P5S5、2P53P、2P54P。He—Ne激光器的激发过程在He—Ne激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下：第一是共振转移。由能级图可见，He原子的21S0、23S1态分别与Ne原子的3S、2S态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可达95%，其转移过程如下：s2s1Nes3s12s32Hep2p3电子碰撞激发管壁效应自发辐射632.8nm共振转移第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态Ne原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到2S和3S态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。

第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃迁到2S和3S态，与前述两过程相比，此过程贡献最小。

与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图根据能量跃迁选择定则，Ne原子可以产生很多条谱线，其中最强的谱线有三条，即0.6328um、3.39um和1.15um，对应跃迁能级分别为3S2→2P4,3S2→3P4和2S2→2P4。2P和3P态，不能直接向基态跃迁，而向1S态跃迁很快。lS态向基态的跃迁是被选择定则禁止的，不能自发地回到基态，但它与管壁碰撞时，可把能量交给管壁，自己回到基态。这就是为什么He—Ne激光器中要有一根内径较细的放电管的原因。从能级图可见，He—Ne激光器是典型的四能级系统。He—Ne激光器的输出特性谱线竞争:He-Ne激光器三条强的激光谱线：

3S2P0.6328m，2S2P1.15m，3S3P3.39m

中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。

0.6328um和3.39umm两条激光谱线有共同的激光上能级3S,而后者增益系数比较高,如果不进行抑制,则3.39um的辐射在腔内振荡过程中将消耗大量的3S2态原子。抑制3.39um辐射的办法主要有:与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图①选用对3.39um的光具有低反射率的谐振腔反射镜,使339um达不到阈值条件,如下图所示,在腔内加色散棱镜,将两谱线分开,通过调整谐振腔反射镜的位置,只允许0.6328um的辐射起振,而使3.39um的辐射偏离出谐振腔外;②腔内放置甲烷吸收盒,因为甲烷对3.39um的光具有强吸收而对0.6328um的光透明,因此可用甲烷抑制3.39um振荡;③外加非均匀磁场也能抑制3.39um振荡。根据塞曼效应,磁场可引起谱线分裂,分裂的大小与磁场强度成正比。如果激光管内磁场分布不均匀,则各处谱线分裂程度不同并连成一片,相当于谱线变宽。300高斯非均匀磁场中,两谱线加宽均约900MHz,0.6328umm原谱线半宽度约1500MHz,非均匀磁场对它展宽的比例不大。但3.39um原谱线宽只有300MHz左右,非均匀磁场的加宽比它大几倍。由于增益系数反比于线宽,所以外加非均匀磁场后,3.39um的增益系数急剧下降,而0.6328μm的增益系数却下降很少.结果提高了0.63281um的竞争能力,3.39um则被抑制。外加非均匀磁场的装置如上图所示,沿放电管轴向放置许多小磁铁,相邻的极性相同,这样就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。(2)输出功率特性

:

He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。输出功率与放电电流的关系曲线①右图表示输出功率与放电电流的关系曲线。曲线表明:在气压比为定值时,每个总气压都存在一个输出最大的放电电流,其大小随着总气压的升高而降低,这是因为气压升高,只需要较小的放电电流就能得到相同的电子密度。在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流②He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。

实验发现，氦气与氖气的分压比为7／1时是最佳分压比。而总压强在100Pa～400Pa。

选用He气作辅助气体的原因:Ne原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能级；He*与Ne*能级极相近,易发生能量共振转移。③若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳p、d值。图给出了在不同的毛细管内径d和长度l时,输出功率与充气总气压和气压比的实验曲线。由图可见,内径d不同,最佳充气压和气压比也不同。气压也增加。计算可得:当取最佳充气条件时,最佳气压λPopt与毛细管内径的乘积约为一常数,一般Poptd=480~533Pamm.④在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。

五、He—Ne激光器的寿命

He－Ne激光器使用一段时间或存放一段时间后，它的输出功率会逐渐降低，以致最后没有激光输出。现在一般规定输出功率下降到最高功率的1／e的工作时间为器件的寿命。影响器件寿命的因素大致有以下几方面：

1．慢漏气

3．阴极溅射

2．放电管内元件放气

4．工作气体的吸附、吸收和渗透

5．谐振腔反射镜的污染目前He－Ne激光器最长的寿命可达10万小时。

C02激光器的主要特点是输出功率大,能量转换效率高,输出波长(10.6um)，广泛用于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。

C02激光器以C02、N2和He的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在C02分子的电子基态的两个振动-转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的激励效率,则有助于激光下能级的抽空。二氧化碳激光器一、CO2激光器的结构封离式CO2激光器结构示意图构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。

二、CO2激光器的激发过程

CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图。

产生激光有关的CO2分子能级图C02激光器中,通过以下三个过程将C02分子激发到0001能级

1.直接电子碰撞电子与基态(0000)C02分子碰撞使其激发到激光上能级。这一过程可表示为

C02(0000)+e→C02(0001)+e

2.级联跃迁电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到000n能级,基态C02分子与高能级C02分子碰撞后跃迁到激光上能级,此过程可表示为C02(0000)+C02(000n)→C02(0001)+C02(000n-1)

3.共振转移由于N2分子(v=0)能级和电子碰撞后跃迁到v=1的振动能级。这是一个寿命较长的亚稳态能级，因而可积累较多的N2分子，基态CO2分子与亚稳态N2分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级。这一过程可表示为

C02(0000)+N2(v=1)→C02(0001)+N2(v=0)由于C02分子0001能级与N2分子v=1能级十分接近,能量转移十分迅速。此外,N2分子的v=2~4能级与C02分子0002~0004也十分接近,相互间也能发生共振转移,处于0002~0004的C02分子与基态C02分子碰撞可将它激励至0001能级。产生激光有关的CO2分子能级图在以上三种激发途径中,共振转移的几率最大,作用也最为显著。C02分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气体分子间的碰撞。一旦实现了(0001)与

(1000)、(0200)

之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产生:0001→1000跃迁产生10.6um波长的激光光0001→0200跃迁产生9.6um波长的激光。由于以上跃迁具有同一上能级,而且0001→1000跃迁的几率大得多,所以C02激光器通常只输出10.6μm激光。若要得到9.6um的激光振荡,则必须在谐振腔中放置波长选择元件抑制10.6um激光振荡。三、CO2激光器的输出特性相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。

实验指出：随着管径增大，最佳放电电流也增大。例如：管径为20～30mm

时，最佳放电电流为30～50mA

管径为50～90mm

时，最佳放电电流为120～150mA(1)放电特性

60%以上消耗：使气体温度的升高：1、引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，使粒子的反转数减少。2、使谱线展宽，导致增益系数下降。3、引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。

(2)温度效应：CO2激光器的高，但是转换效率<40%特点：超小型、高效率、低成本、工作速度快和波长范围宽等。应用：是激光光纤通信的重要光源。目前在光存储、激光高速印刷、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面广泛应用。而在光信息处理、光计算机和固体激光器泵浦等方面却正是方兴未艾。自1962年半导体砷化嫁（GaAs）同质结激光器问世后，半导体从同质结、单异质结、双异质结到半导体激光器阵列，波长范围履盖了可见光到长波红外。半导体激光器以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器。1．能带固体的能带半导体的能带和产生受激辐射的条件本征半导体的能带在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带叫做“价带”，若价带中的电子受激而进入空带，则此空带称为“导带”，同时，价带上由于价电子激发到导带后留下一些空着的能级称为“空穴”。“价带”和“导带”之间是“禁带”。半导体掺杂：电子型半导体或N型半导体空穴型半导体或P型半导体

2．电子和空穴的统计分布统计物理学指出：热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，一个电子占据能量为E的能级的几率为3.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系①在未掺杂质的本征型半导体中，费米能级居于禁带中央，导带内的电子或价带内的空穴是非简并化分布(图a)。②在轻掺杂P型半导体中，受主能级使费米能级向下移动(图b);轻掺杂N型半导体中，施主能级使费米能级向上移动(图d);③在重掺杂P型半导体中，费米能级向下移到价带中，低于费米能级的能带被电子填满，高于费米能级的能态都是空的，导带中出现空穴——P型简并半导体(图c);④在重掺杂N型半导体中，费米能级向上移到导带中，低于费米能级的能带被电子填满，高于费米能级的能态都是空的，导带中也有自由电子——N型简并半导体(图e);⑤双简并半导体——半导体中存在两个费米能级。

(图f);两个费米能级使得导带中有自由电子；价带中有空穴。4.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带

(图f

)中有两费米能级，导带有自由电子，价带中有空穴，当入射光的频率满足时，外来光子会诱导导带中的自由电子向价带空穴跃迁而发出一个同样的光子。

(图a—e)中的情况都只有一个费米能级，在它上面没有有自由电子，在它下面已经被电子充满，不可能发生电子跃迁，只能将外来光子吸收。PN结和粒子数反转把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？

一、P-N结的双简并能带结构

未加电场时，由于电子和空穴的扩散作用，在P－N

结的交界面两侧形成空间电荷区，生产自建场，其电场方向自N区指向P区。引起漂移运动，当扩散运动和漂移运动达到热平衡时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平。这时，在P区和N区分别出现P型简并区和N型简并区，P区的价带顶充满了空穴，N区的导带底充满了电子。在结区造成了能带的弯曲。自建场的作用，形成了接触电位差VD叫做P－N

结的势垒高度。P区所有能级上的电子都有了附加位能，它等于势垒高度VD

乘以电子电荷e（VDe）PN能带当给P－N

结加以正向电压V时，由于“载流子注入”现象，此时结区的统一费米能级不复存在，行成结区的两个费米能级EF+和EF-，称为准费米能级。它们分别描述空穴和电子的分布。在结区的一个很薄的作用区，形成了双简并能带结构。正向电压V时形成的双简并能带结构二、粒子数反转——产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。

对于重掺杂的GaAsP－N

结，在P－N

结的附近，导带中有电子而价带中有空穴，这一小段区域称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光子的激发下跃迁到导带中，即所谓受激吸收。PN能带正向电压V时形成的双简并能带结构在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是此式便是同质结半导体激光器的载流子反转分布条件。其物理意义是：（1）工作区中导带能级的电子占有几率大于价带能级中的电子占有几率。（2）因为发射的光子能量基本等于禁带宽度Eg，因而要求(E-F)一(E+F)>Eg（3）所加的正向偏压必须满足价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算

价带顶电子占据几率则为

考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态导带底电子的占据几率可以用N

区的费米能级来计算GaAs激光器的结构半导体激光器的结构与工作原理一、半导体激光器的基本结构P－N

结的厚度几十微米，一般是在N型GaAs衬底上生长一薄层P型GaAs而形成P－N

结。激光器的谐振腔一般是直接利用垂直于P－N

结的两个端面。为了提高输出功率和降低工作电流，一般使其中一个反射面镀金反射膜。二、半导体激光器工作的阈值条件

激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件

这说明