第2章第2节半导体激光器

光电信息技术张荣福（1）受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv（2）自发辐射（3）受激辐射三种跃迁§2.2激光器

设在单位物质内，处于低能级E1和处于高能级E2的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，原子分布遵循玻耳兹曼统计分布

式中，，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。§2.2激光器w32w2

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13w1图：三能级系统示意图

一、激光的形成1.粒子数反转通过外加能量打破封闭系统的热平衡，实现粒子数反转。§2.2激光器 2.光学谐振腔注入电流有源区解理面解理面L增益介质R1R2z=0z=L3.工作条件振幅条件相位条件§2.2激光器二、激光腔模式及其频率激光腔模式是指激光腔内稳定激光场的分布形式，其中沿腔纵轴方向的稳定分布称为纵模。有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。纵模频率是指在自发辐射谱内满足谐振条件，且损耗小于增益的频率。§2.2激光器谐振频率谐振条件即：腔内允许间隔为c/2nl的m倍的不同频率的光场在其中振荡c/2nL(a)纵模分布

增益曲线损耗I(b)工作模式§2.2激光器例：某一激光器腔长L=300mm,工作物质折射率为n=1,求：（1）满足相位条件的最低谐振频率（2）若此激光器自发辐射峰值波长为632.8nm，且辐射光谱带宽为1.5×109Hz，那么该激光器有多少个纵模频率（假设损耗很小）？三、半导体激光器的结构最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、P型和N型限制层构成，如图2.2.2-1所示。图2.2.2-1大面积半导体激光器解理面金属接触电流有源层P型N型300μm100μm200μm解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里，这样的激光器称为条形半导体激光器，其结构如图2.2.2-2所示。将一绝缘层介质(SiO2)淀积在P层上，中间敞开以注入电流。由于光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为增益导引型半导体激光器。图2.2.2-2增益导引型半导体激光器P-InPInGaAsPN-InPN+-InP衬底P-InGaAsP绝缘介质折射率导引型半导体激光器。图2.2.2-3折射率导引型半导体激光器P-InPInGaAsP有源层N-InPN+-InP衬底接点SiO2SiO2四、半导体激光器特性光谱特性图2.2.3-1为GaAIAs双异质结激光器的光谱特性832830828826824832830828826824832830828826824驱动电流增大→→图2.2.3-1GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图图2.2.3-2为典型LD的远场辐射特性

图2.2.3-2为典型LD的远场辐射特性，图中与分别为平行于结平面和垂直于结平面方向的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。1.00.80.60.40.20发射光功率P/mW

804004080

辐射角θ(度)相对光强

激光束的空间分布

激光器的电—光转换效率用外量子效率543210

050100I/mA发射光功率

图2.2.3-3典型LD的光功率特性曲线

输出光功率转换效率与输出光功率特性

温度特性

图2.2.3-4LD的P-I曲线随温度的变化543210050100I/mA

发射光功率22℃

50℃

70℃

特点：激光器的阈值电流随温度升高而增大外量子效率随温度升高而减小。

五、激光器的应用

舞台灯激光笔激光武器激光武器激光武器激光武器－光剑激光武器－光剑脉冲激光测距利用了激光的方向性强、能量时空相对集中的优点。脉冲激光测距在有反射器的情况下(见下图，在2处装有反射器)，可以达到极远的测程。在1处产生的激光，经过待测的路程射向2处。在2处装有向1处反射的装置，1处至2处间的距离D是待测的。如果在1处有一种装置，它能够测出脉冲激光从1处到达2处再返回1处所需要的时间t，则

D=ct/2

式中c为光的传播速度。

应用举例－－脉冲激光测距图：脉冲激光测距原理图它由脉冲激光发射系统、接收系统、控制电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路等组成图:脉冲激光测距的方框图

由光电器件5得到的电脉冲，经放大器7以后，输出一定形状的负脉冲至控制电路8。由参考信号产生的负脉冲A(图(d))经控制电路8去打开电子门12。这时振荡频率一定的时钟振荡器11产生