激光原理与技术 第九章 激光器件.pdf

：第九章典型激光器件概述 泵浦源1960年，美国人梅曼（Maiman）首；次在实验室用红宝石晶体获得了激光|工作物质输出，开创了激光发展的先河。-激光器的基本结构 U由工作物质、泵浦源、光学谐振腔|谐振腔三个部分组成工作物质是产生光的受激辐射放大作用源泉泵浦源为工作物质实现粒子数反转提供能灌振腔为激光振荡的建立提供正反馈，并影响输出激光束的质量 9.1激光器的分类及特点按激光工作物质分类，可分为气体激光器、固体激光器、液 体激光器、半导体激光器、化学激光器、自由电子激光器、X 射线激光器、光纤激光器等1.气体激光器1961年第一台氨氮激光器 气体激光器以气体和金属蒸汽为工作物质原子气体激光器 分子气体激光器 离子气体激光器产生激光作用的是未电离的原子，如氨氮激光器产生激光作用的是未电离的分子，如CO n2,准分子激光器产生激光作用的是已电离的离子，如Ar+激光 器气体激光器的特点(1)已观察到的激光谱线不下万余条，波长几乎遍布了从紫外 到远红外整个光谱区。(2)工作物质均匀性好，使得输出光束质量较高。(3)容易实现大功率连续运转，如二氧化碳激光器可达万瓦级(4)转换效率高、工作物质丰富、结构简单、器件成本低。(5)气体浓度低，一般不利于做成小尺寸大能量的脉冲激光器气体激光器被广泛应用于准直、导向、计量、材料加工、全息 照相及医学、育种等领域。泵浦方式一般采用气体放电激励，还可以采用电子束激励、热 激励、化学反应激励等。2,固体激光器将产生激光的粒子掺于固体基质中。工作物质的物理、化学性质主要取决于基质材料，而它的光谱特性主要由发光粒 子的能级结构决定，但发光粒子受基质材料的影响，其光谱特 性将有所变化。激活粒子可分为四类（1）三价稀土金属离子（2）二价稀土 金属离子（3）过渡金属离子（4）钢系金属离子基质材料有玻璃和晶体两类常见的：红宝石（k3+：川2。3）、掺钛钮铝石榴石（Nd3+：YAG）、钛玻璃、掺钛蓝宝石（Ti3+：A%。常采用光泵浦，有闪光灯和半导体激光二极管两类 突出特点：可获得大的激光能量输出，但脉冲输出能量可达 到上万焦耳，脉冲峰值功率可达1013To14瓦/厘米2。但热效 应严重、连续输出功率不如气体高。3.液体激光器1966年第一台染料激光器工作物质为：有机化合物液体(染料)、无机化合物液体波长范围300nm1.3P m,激光波长连续可调。结构简单、价 格低廉。但溶液的稳定性比较差。泵浦方式主要为光泵浦。4半导体激光器1962年，第一台GaAs激光器问世半导体激光二极管，Laser Diode(LD)采用注入电流的方式泵浦波长范围：920nm1.65 p叫其中1.3 p m和1.55 p m为光纤 通讯的两个窗口。具有能量转换效率高、易于进行高速电流 调制、超小型化、结构简单、寿命长等优点。5.化学激光器 1964年第一台光解离碘原子化学激光器 通过化学反应实现粒子数反转。工作物质可以是气体也可以 是液体采用化学激励，波长范围从紫外到红外，直至微米波段，共 率高、能量输出高、不需外界提供泵浦源。6.自由电子激光器工作物质是相对论电子束7.X射线激光器工作物质是高度电离的等离子体8,光纤激光器1963年 按工作方式分激光器可分为连续输出和脉冲输出两类9.2 固体激光器 Solid state laser 1964上海光机所成立 1987年6月，1012W的大功率脉冲激置，在中国科学院上海光学精密机力A 1960年7月，美国休斯公司实验室梅曼制成世界第一 台红宝石固态激光器问世，标志了 First rubylaser,disassembled波长为694.3nm的激光。1961长春光机所Ruby Laser主要介绍固体工作物质、光泵浦系统、工作物质的热效应等9.2.1 固体激光器的基本结构与工作物质一、固体激光器结构：基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤 光系统构成的。下图是长脉冲固体激光器的基本结构示意图（冷却、滤光系统未画出）。固体激光器的基本结构示意图二、固体工作物质（基质材料 物理、化学性能 固体工作物质I掺杂离子一A 光谱特性基质材料玻璃 一硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃晶体一A氧化物晶体氟化物晶体各自又分为 单一和混合 两类激活粒子可分为四类（1）三价稀土金属离子（2）二价稀土 金属离子（3）过渡金属离子（4）钢系金属离子固体工作物质达数百种，已获得数千条激光光谱线 掺杂离子浓度1025T 026mq比气体工作物质高34个数量级,且固体工作物质激光上能级寿命也比较长，易于获得大能量 输出，适合调Q1、红宝石红宝石晶体红宝石的化学表示式为C2+：闻2。3,其激活离子是三价铭离子C2+,基 质是刚玉晶体（化学成分是AI2O3）。红宝石属六方晶系，是无色透明的负单 轴晶体。红宝石是在AI2O3中掺入适量的CH+,使C2+部分地取代AF+而成。掺 入2。3的最佳量一般在005%）（重量比）左右,相应的C3+密度为ntot=1.58xl019cm-3o红宝石的光谱特性主要取决于CN+。原子Cr 的外层电子组态为3d54s。掺入AI2O3后失去外 层三个电子成为三价铭离子Cr3+，CR+的最外层 电子组态为3cP。红宝石的光谱特性就是Cr3+的 3d壳层上三个电子发生跃迁的结果。这三个d电 子完全暴露在最外层，受基质晶格场的影响很大。CN+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。通过实验和理论分析，已确定红宝石中 CN+的工作能级属三能级系统。如图53所示。4A2是基态又是激光下能级，其简并度gx=4jE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。4尸和4f2是两个吸收能带。铝或信氧红宝石晶体Cr3+:A12O3六方晶系，负单轴晶体，粉红色提拉法生长，可以获得大尺寸晶体 红宝石的吸收光谱如图92所示。由4A2向4Fi跃迁吸收紫蓝光，峰值波长在041|J m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055pm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m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。在入射光的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两 种情况下,其吸收曲线略有差别，见下图。30 r6 2 8 4 o 6 2 83.3.Z2 2L Lo.1stO.5O3 2I O波长(pm)红宝石中铭离子的吸收光谱ol红宝石中铭离子的能级结构红宝石有两条强荧光谱线(R1和口2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0.6943 m m和0.6929门m。通常红宝石激光器中只有&=0.6943.线才能形成激光输出。30冲纷巡252e与“飒）=2 Ry/s/激光跃迁应指出，红宝石激光器通常只产生0.6943pi m的受激辐射。这是因为亚稳态能级分裂 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%。这就是说E能级比2A能级有更多的粒子数。而且R工线荧光强度 比线高，使得线的受激辐射几率比口2线高。因此,线容易达到阈值而形成激光振荡。同时,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Ri线，而抑制了儿线。在激光脉冲持续时间远大于109s时，亚稳态上的位子均 将通过Ri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。红宝石突出的缺点是阈值高（因是三能级）和性能易随 温度变化。但具有很多优点，如：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（06943 p m）,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。红宝石在 激光发展上是贡献比较大的一种晶体。202Ao 15-X三超10-/3%.引o红宝石中铭离子的能级结构2、掺铉钮铝石榴石(NcP+:YAG)NcP+:YAG的激活离子为NcP+,基质是YAG晶体(钮铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称)。NcP+部分取代YAG中的Y3+便成为NcP+:YAG。一般含NcP+量为1%)原子比，此时NcP+的 密度为L38xi020cnr3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的AI2O3、丫2。3和 NCI2O3在单晶炉中熔化结晶而成。NcP+:YAG属立方晶系，是各向同性晶体。掺铉钮铝石榴石激光器的激活粒子是钱离子(Nd3+),其吸收光谱如图所示O 8 6 4 2L 6 SO.S00.30.4 0,5 06 07 0.8 0.9A/pmNd3+:YAG晶体的吸收光谱AYAG中Nd3+与激光产生有关的能级结构如图所 示。它属于四能级系统。Nd3+:YAG的能级结构1.06um比1.35um的荧光约强四倍,l.06um的谱线先起振，进而抑制135 pm谱线起振，所以NcP+：YAG激光器通常只产生106 pim激光。只有采取选频措施，才能实现l.35p m波长的激光振荡。3、钛玻璃继1960年第一台红宝石激光器问世后J961年便出现了钛玻璃激光器。铉玻璃是在某 种成分的光学玻璃中掺入适量的NCI2O3制成的。最佳掺入NCI2O3量为重量比。对应3%的掺入量,NcP+的浓度为3xlO2o/cm3。NcP+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃 系统用得最多。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。大的钛玻璃棒长可达直径30100mm,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。钛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。320 X 600 X 40毫米钛玻璃钛玻璃的能级结构和跃迁光谱(A)门由Nd3 的能级图（B）相对吸收(C)捡Nd玻璃能级系统Nd、玻需 的吸收光谱舞Nd比 璃荧光谱0: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）2G5/2（中心波长5900A）2f9/2（.7500A）%7/2（.8000A）小：三条激光谱线公共的激光上能级工/2刍：含二条激光谱线的二个激 光下能级（四能级系统）,即013/2（4吊/L 013/2,对应L4/m谱线）Z1/2（工/2-1/2，对应L 061 m谱线）的吸收光谱4:基态,一条激光谱线的激光 下能级（三能级系统）：“912,9/2(4户3/2对应0.9加谱线）跃迁谱线：L06jim:四能级系统,跃迁几率大，通常可观 察到；L41im:四能级系统,跃迁几率较小,不一定 可观察到；0.9pm:三能级系统，难实现粒子数反转,一 般不出现.9.2.2 固体激光器的泵浦系统一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般采用光泵浦激励。最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯（灯内充入氤山、氯等惰性气体）、金属蒸气灯（灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）、卤化物灯（碘鸽灯、镶鸽灯 等）、半导体激光器、日光泵（用聚光镜将日光会聚到激光棒中）等。脉冲氤灯 的辐射强度和辐射效率较其他灯都高，是红宝石钛玻璃和Nd:YAG脉冲激光器中 应用最广泛的一种灯.氯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。碘鸽 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。碑化银半导体激光器体积小，产生的激光又与掺钱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。在各种泵浦光源中，以惰性气体放电灯应用最普遍。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。有很高的发光效率辐射的光谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配.1惰性气体放电灯的结构一般都是 由电极、灯管和充入的气体组成。见图(a)o 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。常用的电极材料有铝，牡鸽，领鸽和锦鸽，高功率灯的电极要设计 成水冷结构，见图(b),灯管用机械强度高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。灯管 内充入氤(Xe)、氮(kr)气体。(a)2惰性气体放电灯的辐射特性氤灯在低电流密度放电(如连续灯放电和小能量脉冲灯放电)时，辐射的特征 谱线的峰值波伏在0.84、0.9和lum附近。戴灯在低电流密度放电时，辐射的特征 谱线的峰值波长在0.76、0.82和0.9um附近。可见,戴灯的特征谱线与Nd:YAG 的主要泵浦吸收带相匹配，因此连续和小能量(2分子能级图2.CO2激光器的输出特性放电特性A相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最 佳值。CO?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。(2)温度效应ACO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过 40%,这就是说，将有60%以上的能量转换为气体的热 能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能 级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反 转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导 致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起 CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。9 3.3 Ar+离子激光器1.Ar+激光器的结构AAr+激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气 管等几部分组成。如图所示为石墨放电管的分段结构。分段石墨结构Ar+激光器示意图2.Ar+激光器的激发机理2.Ar+激光器的激发机理A Ar+激光器与激光辐射有关的能级结构如图所示30(20盘与产生激光有关的Ar+的能级结构2.Ar+激光器的工作持性(1)多谱线工作A Ar；施光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个阈值电流(2)输出功率与放电电流的关系A由于Ar+激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同，下图示出了其 间的关系曲线。0 8 6 4 2(季安宾)壬建10 20 30 40 50 60 70电流强度(A)Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线染料激光器染料激光器采用溶于适当溶剂中的有机染料作激光工作物质。适用作激光工作物质的染料是包含共辄双键的有机化合物。染料分子能级图染料分子的能级如图所示，染料分子能级的特 征可用“自由电子”模型说明。复杂的染料大分 子中分布着电子云，电子云中的2n个电子与势阱 中的自由电子相似。当分子处于基态时,2n个电 子填满n个最低能级，每个能级为两个自旋相反的 电子所占据，总自旋量子数为零，形成单重态S。当分子处于激发态时，电子云中有一个电子处于较 高能级。若此电子自旋方向不变，则总自旋量子数 仍为零，形成名、S2等单重激发态。若此电子自 旋反转，则形成T、T2等三重态。由选择定则可知,单重态和三重态之间的跃迁是禁戒的。每一个电 子态都有一组振动一转动能级。电子态之间的 能量间隔为106mT量级，同一电子态相邻振动能 级间的能量间隔为105nr）而转动子能级间的能 量间隔仅为KPnri量级。实际上由于染料分子与 溶剂分子频繁碰撞和静电扰动引起的加宽,使得振 动、转动能级几乎相连。因此每个电子态实际上 对应一个准连续能带。、染料分子的光辐射过程染料分子吸收了泵浦光能量由基态 So跃迁到S工的某一振转能级后，在和溶剂 分子频繁的碰撞中迅速地将能量传递给 溶剂分子并跃迁至Si的最低振转能级。染料分子由此能级跃迁至S。的各振动能 级时产生荧光。跃迁至的较高振转能 级的染料分子迅速通过无辐射跃迁过程 返回S。的最低能级。由以上叙述可知，在 Si的最低振转能级和So的较高振转能级 间极易形成粒子数反转分布状态。产生 激光。由于So和S工都是准连续带,吸收谱 和荧光发射谱都是连续的,所以染料激光 器有很宽的调谐范围。三、染料分子的三重态“陷阱”染料分子能级图处于Si态的分子还可通过碰撞容易地向Tx 态跃迁，这一过程称作系际交叉,其速率Kst一 般为左右，虽然这一速率较St态的自 发辐射速率(ans-1)小得多，但由于T!态的寿 命Tt较长ao4：io-3s),分子较易积聚在T工态,所以T工态对于激发分子来说，相当一个“陷 阱”O一方标 T工占有sx上部分分子，减少了s6寸 S。的反转粒子数，另一方面，积累在T工中的 大量分子又会吸收光能，由Tt跃迁到12,并 且而Ti-T2跃迁的吸收波长又恰好与Si-So 跃迁荧光波长重叠，这意味着Ti态积聚的染料 分子可吸收受激辐射光子而向丁2态跃迁，因此 染料分子在Ti态集聚不利于激光运转。显然，只有在S1fs0受激辐射产生的增益大于 Ti-T2跃迁造成的吸收损耗时才能形成激光 振荡。染料激光器的泵浦通常采用闪光灯、分子激光器、准分子激光器或倍频NcP+:YAG激光器发射的 532nm激光等作脉冲染料激光器的泵浦光源，而连续染料激光器则常用氤或氮离子激光器 作泵浦源。显然，泵浦光的波长必须小于染料激光器的输出激光波长。可以采用光栅、棱 镜、标准具及双折射滤光片等波长选择元件对染料激光器进行波长调谐。一、闪光灯脉冲泵浦泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。二、激光脉冲泵浦能够用于泵浦染料激光器的激 光种类很多，主要有氮分子激光 器(0.337卬1),红宝石激光器(0.6943卬1),钱玻璃激光器(1.06H，铜蒸气激光器(0.5106卬1、0.5782|im),准分子 激光器(主要在紫外区)以及这 些激光的二次、三次谐波等。三镜腔式染料激光器是目前经常采用的三镜腔式染料激光 器结构示意图。染料激光器的调谐在掺钛蓝宝石出现之前，染料激光器是最理想的可调谐激光器。目前已在紫外(330mn)到近红外(l.85um)相当宽的范围内获得了连续可调谐输出。由于它的可调谐 和可产生极窄光脉冲的特点，在激光光谱、同位素分离、医学及其他科技领域获得了广泛 应用0 1,光栅调谐下图是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。光栅反射镜调谐腔是一种光栅-反射镜调谐腔，放 在腔中的光栅G具有扩束和色散 作用。G的不同波长的一级衍射相对发 射镜R2来说，有不同的入射角。于是，当旋转R2使某一波长光 的入射角为0时，该波长的光便 能低损耗地返回谐振腔，形成 振荡。因此旋转R2便起到调谐 的作用。2.棱镜调谐是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一种色散元件。利用棱镜的色散特性，将泵浦光偶合到腔内，并且与染料流形成同轴泵浦形 式。调谐镜棱镜调谐腔由于棱镜的色散作用，来自 m3 的不同波长的光，将看不同的折射方向。当旋 转平面发射镜Mi使其与某一 波长的光垂直时，该波长的 光就能返回谐振腔，形成振 荡。3.双折射滤光片调谐A利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐方法，国内外的 Ar+激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。下图给出的 典型染料激光器就是利用双折射滤光片进行调谐的。典型染料激光器原理示意图由于染料属于均匀加宽 工作物质，插入了隔离器的 环行谐振腔使腔内激光成 为行波，因此这个激光器可 以单纵模运转。谐振腔中 的各种波长选择器件则保 证波长的精细调谐。由于染料具有较宽的频带，所以可从锁模染料激光器得到很 窄的脉冲，以若丹明6G为工作物质的碰撞锁模染料激光器可产 生约30fs的超短激光脉冲，这种光脉冲还可压缩成脉宽仅为6fs 的超短光脉冲，这是目前世界上最窄的光脉冲。在掺钛蓝宝石出现之前,染料激光器是最理想的可调谐激光 器。目前已在紫外(330mn)到近红外(L85 p m)相当宽的范 围内获得了连续可调谐输出。由于它的可调谐和可产生极窄光 脉冲的特点,在激光光谱、同位素分离、医学及其他科技领域获 得了广泛应用。9.4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。其特点 为超小型、高效率、低成本、工作速度快和波长范围宽等。它是激 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年半导体神化嫁（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，逐渐地成为现代激光器件中的应用面 最广、发展最为迅速的一种重要器件类型。同以气体或固体作为工作物质的激光器一样，欲使半导体材料 产生激光，同样要使半导体材料中电子能态发生变化，以形成一定 的粒子数反转，并且要有一个合适的光学共振腔。但是，由于半导 体材料中电子运动的特殊性半导体激光器又有着许多不同于气体和 固体激光器的特性。因此，要深入了解半导体激光器的特性和原理,我们必须先了解有关半导体材料的一些理论基础。Common Diode Lasers CD Player=632 nm DVD Player=658 nm Blueray DVD=405 nm9.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件一、有关半导体的基础知识1.能带构成半导体激光器的工作物质是半导体晶体。在半导体晶体中，电子的运动状态和单 个原子时的情况大不相同，尤其是其外层电子有了明显的变化，即所谓的“共有化运 动“O豆子力学证明：当N个原子相接近形成晶体时，由于共有化运动，原来单个原子中每 一个允许能级要分裂成N个与原来能级很接近的新能级。在实际的晶体中，由于原子数 目N非常大，新能级又与原来能级非常接近，所以两个新能级间距离很小（相互间的能级 差为1022）,几乎可把这一段能级看作是连续的。我们便把这N个能级所具有的能量 范围称为“能带”。不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这个间隔范围内电子不 能处于稳定状态，实际上形成一个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度%来衡 量。下图说明了原子中子轨道、能级及能带之间的对应学力A-5rG-卦片 W固体的能带H 0Zr能量：_心hvEg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。9.4.2 PN结和粒子数反转一、P-N结的双简并能带结构在热平衡系统中（图一）中的情况都只有一个费米能级不能产生光放大。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？如果我们设法使一块完整的半导体一边是N型，而另一边是P型，则在接合处形成 PN 结。未加电场时，由于电子和空穴的扩散作用，在巴父_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。0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PN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能带正向电压V时形成的双简并能带结构当给PN结加以正向电压V时，如图所示，原来的自建场将被削弱，势垒降低，破坏 了原来的平衡，引起多数载流子流入对方，使得两边的少数载流子比平衡时增加了，这 些增加的少数载流子称为“非平衡载流子”。这种现象叫做“载流子注入”。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E-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。、粒子数反转二、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。PN能带正向电压V时形成的双简并能带结构粒子数就是载流子数。正常情况下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才 填充导带。如果我们能利用光或电注入的办法，便在PN附近够成大量的非平衡载流子,在此其复合寿命更短的时间内.电子在导带、空穴在价带分别达到暂时的平衡，则在这 一段时间内简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布的状态。对于重掺杂的GaAsPN结，在PN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，而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大 于受激吸收光子的速率。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6(4);1-+1价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 4一与一41 e kT+1价带顶电子占据几率则为/(耳)=1-%(&)=R-e卡+1在结区导带底和价带顶实现粒子(电子)数反转的条件是九(用)九(4)E；E；E2Ei=Eg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、)一(E+F)Eg,而PN 结两边的PP型和NN型半导体都必须高掺杂，从而使电子和空穴的准费米能级分别进入导 带和价带。(3)所加的正向偏压必须满足/空二库二29.4.3 半导体激光器的工作原理和阈值条件、半导体激光器的基本结构和工作原理A示出了 GaAs激光器的结构。图(b)是台面形管芯激光器的外形结构，管芯的形状有长方形，台面形，电极条形等 多种，图(5-28a)的管芯形状是长方形，PN结的厚度仅几十微米，一般是在N型 GaAs衬底上生长一薄层P型GaAs而形成PN结。激光器的谐振腔一般是直接利用垂直于PN结的两个端面，由于GaAs的折射 率n=3.6,所以对于垂直于端面的光的反射率为32%。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膜。二、半导体激光器工作的阈值条件工作物质实现了粒子数反转后，光在谐振腔内传播时便有增益，但能否有效地形成激 光振荡，还与腔内损耗有关。只有在增益恰等于损耗时才能满足振荡的阈值要求。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G*内这说明半导体激光器的增益不仅要大于零，还必须达到某一数值才能形成激光。增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质G（v）=/G）8卒v 8卒v，复合方复合-结区电子寿命，复合=1/A2】An-粒子数反转值三、半导体激光器的阈值电流三、半导体激光器的阈值电流在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空 穴复合数相等而达到平衡复合G（v）=/（V）G（v）=H/（v）=G2q内一（In（怔）/（V）X Av攻d _ Ie、8卒 2 V2Jr 1 7iu v edvJ阈二 Q内一行11144-2-2L J c当正向电流密度J达到阈值J阈后形成激光。数值例：GaAsPN结激光器Av=3x106MHz1IEIn 伍2 40cmt=3.35 d=2m/阈 150A/cm9.4.4 同质结和异质结半导体激光器一、同质结碑化钱(GaAs)激光器的特性1.伏安特性：与二极管相同，也具有单向导电性，如图(5 29)所示。图(5-29)GaAs激光器的伏安特性2.阈值电流密度：影响阈值的因素很多/阈=%（里8 年 2v2edv2C显然，降低J阈的值是提高半导体水平的关键，经研究人们发现J阈与以下因素有关：(1)与激光器的具体结构及制备工艺有密切关系，不同器件总值差异很大；(2)J阈81/L,即阈值电流密度与腔长L成反比；(3)J阈与工作温度的关系十分密切；(4)J阈与反射率,1万有关，通常两个反射面都是天然解理面，故rx=r2=0-32。当腔 长转短时，若1/2L比白邙小或接近，一个端面镀金反膜会使J阈明显降低，但当腔长L较 长时，J阈的降低就不很明显了。3.方向性：图（9-30）给出了半导体激光束的空间分布示意图。图（930）激光束的空间分布示意图因为半导体激光器的谐振腔短小，所以 激光束的方向性较之其他典型的激光器要 差很多。而且由于有源区厚度很薄,有源区 的条宽比厚度大很多倍，所以在垂直于结的 方向和平行于结均方向的光束发散角是不 对称的，前者要大数倍。4.光谱特性:图（9-31）是GaAs激光器 的发射光谱。其中图（a）是低于阈值时的 荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图（b）是 注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。7855 ntn845 nm低于阚值图（531）GaAs激光器的发射光谱65 4 3 2 H855 mn（b）高于阈值845 nm3 2 10GaAs的激射光谱线宽比固体和气体激光器要宽。这是因为半导体产生激光时，粒子反 转分布并不是在两个分立的能级之间，而是在导带和价带之内。每个能带都包含了许多级,这就使复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围。由于增益谱线宽，其发射光谱的单色 性就要差一些。实际的激光器发射光谱的结构是很复杂的，光谱宽度随注入电流增加而变宽，一 般可从零点几纳米到几纳米范围内变化。同时，半导体激光器的光谱随温度而变化。当温度升高时，激光的峰值波长向长波方向移动。对GaAs同质结器件，峰值波长在 77K时为0.84 p m,300K时为0.902 p m。5.转换效率半导体激光器所用的转换效率常用“功率效率”和“量子效率”来度量。外微分量子效率与：rjD=/=J*=（，G）/e（，%）/e QfWP功率效率p：功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比%=沙+产氏P输出功率Pth阈值发射光功率hv发射光子能量 i正向电 流zth-正向阈值电流 e-电子电量 V-正向偏压Rs激光器串联内阻一般同质结激光器在室温下的功率效率仅有百分之几。为了提高功率效率应尽可能减 小内阻。二、异质结半导体激光器理论分析及实验研究表明，同质结激光器难以得到低阈值电流和实现室温连续工作。为此，在同质结的基础上发展了异质结半导体激光器，从而大大提高了半导体激光器的实际 应用价值。1.异质结及其特点如图(5-32)所,京，对于GaAs类半导体激光器，由同种材料一GaAs构成的pn结即 为同质结。若一侧为GaAs,而另一侧为GaAIAs所构成的结为“异质结。若个半导体激光器 仅有一个异质结则称为单异质结(SH)激光器，两个异质结构为双异质结(DH)激光器。同月后结异质结同质结1 1双异质结1 1PGaAsN4-GaAsP-Ga|_rAltAsP-GaAsN-GaAsP-Ga.ALAs“7 iP-GaAsN-GaALAs(a)同质结(b)单异质结(c)双异质结图(532)同质结、异质结结构示意图从提高半导体激光器的性能要求出发，对异质结两侧的材料有如下技术要求：(1)要求两种材料的晶格常数尽可能相等，若在结合的界面处有缺陷，载流子将在界面 处复合掉，不能起到有效的注入、放大和发光的作用；(2)为了获得较高的发光效率，要求GaAIAs材料是竖直跃迁型的；(3)为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。