激光是什么...ppt

-Internal Use Only-Internal Use Only-激光（Laser）是什么？蔡志岗蔡志岗蔡志岗蔡志岗2009年6月19日-Internal Use Only-Internal Use Only-激光的名词来源LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)通过通过受激辐射受激辐射实现的实现的光放大光放大 20世纪的四项重大世纪的四项重大的发明之一：的发明之一：激光激光原子能原子能半导体半导体计算机计算机 5/22/20242 2-Internal Use Only-Internal Use Only-激光技术发展简史激光技术发展简史1.1.1917年：年：爱因斯坦在爱因斯坦在关于辐射的量子力学关于辐射的量子力学 一文预言了一文预言了 原子原子受激辐射受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性发光的可能性，即存在激光的可能性;2.20世纪世纪50年代：年代：Bell Lab 的汤斯和肖洛的光激射器理论；的汤斯和肖洛的光激射器理论；激光器方案的提出；激光器方案的提出；3.1960年：年：梅曼梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器；制成世界上第一台激光器；Sorokin and Stevenson：CaF2激光器；激光器；Javan：He-Ne激光器；激光器；5.1963年年Petal：CO2激光器；激光器；1965年年 Kasper：化学激光器；：化学激光器；1966年年 Sorokin：染料激光器；：染料激光器；6.198090年代：年代：锁模技术、超短激光脉冲（锁模技术、超短激光脉冲（ps、fs、as）。）。激光原理激光原理4.1962年：年：调调Q技术，纳秒（技术，纳秒（ns）脉冲；）脉冲；5/22/20243 3-Internal Use Only-Internal Use Only-受激辐射的发现5/22/20244 4-Internal Use Only-Internal Use Only-受激辐射光与物质相互作用的三个过程：吸收自发辐射受激辐射5/22/20245 5-Internal Use Only-Internal Use Only-普朗克普朗克1900年，辐射量子化假设；年，辐射量子化假设；波尔波尔1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；年，原子中电子运动状态的量子化假设；爱因斯坦爱因斯坦1917年，提出受激辐射概念。年，提出受激辐射概念。5/22/20246 6-Internal Use Only-Internal Use Only-自发辐射、受激辐射和吸收自发辐射、受激辐射和吸收不受外界扰动而自己发生的跃迁辐射不受外界扰动而自己发生的跃迁辐射。l机理：机理：辐射场（电磁场）的真空态各自由度辐射场（电磁场）的真空态各自由度作作零点振动零点振动（能量为零点能）激发原子产生自（能量为零点能）激发原子产生自发辐射。发辐射。自发辐射的光是非相干光。自发辐射的光是非相干光。E2E1N2N1h 一一.自发辐射自发辐射(spontaneous radiation)零点振动零点振动5/22/20247 7-Internal Use Only-Internal Use Only-自发辐射自发辐射的的严格处理需要严格处理需要 “量子电动量子电动力学力学”，把辐射场（电磁场）把辐射场（电磁场）“量子化量子化”光子。光子。量子力学虽然把原子作为一个量子体系对量子力学虽然把原子作为一个量子体系对待，但辐射场仍然用一个连续变化的经典电磁待，但辐射场仍然用一个连续变化的经典电磁场来描述，场来描述，无法处理自发辐射。无法处理自发辐射。有趣的是，在量子力学和量子电动力学建有趣的是，在量子力学和量子电动力学建立之前，立之前，Einstein（1917）基于热力学和统计基于热力学和统计物理中物理中平衡概念平衡概念的考虑，回避了的考虑，回避了光子的产生光子的产生和湮没和湮没，巧妙地说明了原子的自发辐射现象。，巧妙地说明了原子的自发辐射现象。5/22/20248 8-Internal Use Only-Internal Use Only-设设 N1、N2 单位体积中处于单位体积中处于E1、E2 能级的原子数。能级的原子数。单位体积中单位时间内，单位体积中单位时间内，从从E2 E1自发辐射的原子数：自发辐射的原子数：E2E1N2N1h Einstein 对自发辐射的处理：对自发辐射的处理：5/22/20249 9-Internal Use Only-Internal Use Only-写成等式写成等式 21 自发辐射系数自发辐射系数，单个原子在单位，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。时间内发生自发辐射过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、无关的无关的 非相干光非相干光。5/22/20241010-Internal Use Only-Internal Use Only-二受激辐射二受激辐射(stimulated radiation)E2E1N2N1全同光子全同光子h 设设 （、）温度为温度为时时,频率在频率在 =(E2-E1)/h 附近，单位频率间隔内附近，单位频率间隔内的的外来光外来光的能量密度。的能量密度。h 5/22/20241111-Internal Use Only-Internal Use Only-单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从E E 受激辐射的原子数：受激辐射的原子数：写成等式写成等式 B21受激辐射系数受激辐射系数5/22/20241212-Internal Use Only-Internal Use Only-W21 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。受激辐射过程的概率。则则受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同相位及传播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。令令 W21=B21 （、T）5/22/20241313-Internal Use Only-Internal Use Only-三三.吸收吸收(absorption)E2E1N2N1h 上述外来光也有可能被吸收，使原子上述外来光也有可能被吸收，使原子 从从E1E2。单位体积中单位时间内因吸单位体积中单位时间内因吸收外来光而从收外来光而从 E1E2 的原子数：的原子数：5/22/20241414-Internal Use Only-Internal Use Only-写成等式写成等式 B12 吸收系数吸收系数令令 W12=12 (、T)W12 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。吸收过程的概率。5/22/20241515-Internal Use Only-Internal Use Only-A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。爱因斯坦借助于物体与辐射场间的平衡的爱因斯坦借助于物体与辐射场间的平衡的热力学关系，在热力学关系，在 1年得出年得出 爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。初实验上获得激光奠定了理论基础。没有实验家没有实验家,理论家就会迷失方向。理论家就会迷失方向。没有理论家没有理论家,实验家就会迟疑不决。实验家就会迟疑不决。B21 =B125/22/20241616-Internal Use Only-Internal Use Only-爱因斯坦关系爱因斯坦关系 设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并度为 （同一量子态占据的光子数目）,在温度T下处于热平衡状态,能级的原子占有数密度分别为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量 后,单位时间内从 跃迁到 能级的原子数为：单位时间内，的原子数数为：由于系统处于热平衡状态系统处于热平衡状态，则应有：即：补充补充5/22/20241717-Internal Use Only-Internal Use Only-所以有：热平衡状态下，按波尔兹曼分布：即：补充补充5/22/20241818-Internal Use Only-Internal Use Only-热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为：比较两式有：上述两式即著名的爱因斯坦关系式。若两能级的简并度相同，则有：5/22/20241919-Internal Use Only-Internal Use Only-结论：结论：u 三个爱因斯坦系数是相互关联的。u对一定的原子体系而言，自发发射系数 A21 与受激发射系数 B 之比正比于 的三次方，因而 两能级相差越大，就越高，A,B的比值就越大，也就是 越高自发辐射越容易，受激辐射越困难。一般在热平衡下，主要是自发辐射。5/22/20242020-Internal Use Only-Internal Use Only-产生激光的基本条件5/22/20242121-Internal Use Only-Internal Use Only-形成激光的三个条件形成激光的三个条件 产生激光必要条件产生激光必要条件1.实现粒子数反转实现粒子数反转.使原子被激发使原子被激发.可实现光放大可实现光放大 工作物质工作物质 光学谐振腔光学谐振腔 激励方式激励方式 部分反射镜部分反射镜 激励能源激励能源 全反射镜全反射镜 激光输出激光输出 工作物质工作物质 光学谐振腔光学谐振腔L5/22/20242222-Internal Use Only-Internal Use Only-激光工作物质产生粒子数反转的物质基础5/22/20242424-Internal Use Only-Internal Use Only-粒子数反转粒子数反转 一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）低能级（基态）。因此，如何从技术上实现如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件粒子数反转则是产生激光的必要条件。5/22/20242525-Internal Use Only-Internal Use Only-工作物质、亚稳态工作物质、亚稳态 前面分析了产生激光的必要条件是受激辐射，而粒子数反转又是产生激光的一个条件，激光的产生必须选择合适的工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在亚稳态能级的存在对实现粒子数反转是非常必须的。5/22/20242626-Internal Use Only-Internal Use Only-激光物质是三能级或四能级结构。激光物质是三能级或四能级结构。如果激励过程使原子从基态E1以很大概率W抽运到E3能级，处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1。假定从E3到E2的(亚稳态)概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31，也超过从E2回到E1的概率A21，则利用泵浦抽运使WW23或WW12时，E2和E1之间就可能形成粒子数反转。三能级系统n2n1n3E1E2E3寿命寿命10-3s5/22/20242727-Internal Use Only-Internal Use Only-在外界激励下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，然后迅速转移到E3。E E3 3能级为能级为亚稳态亚稳态，寿命较长。，寿命较长。E E2 2能级寿命较短，能级寿命较短，因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1。所以在在E E3 3和和E E2 2之间可能实现粒子数反之间可能实现粒子数反转转。由于激光下能级不是基态，而是激发态E2，所以在室温下激光下能级的粒子数很少，因而E3和E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现。n1四能级系统E1E E2 2E3E4N2n3n4(快）(慢）寿命寿命10-3s5/22/20242828-Internal Use Only-Internal Use Only-但是，要产生激光必须使原子激发，但是，要产生激光必须使原子激发，并要求并要求粒子数反转分布，粒子数反转分布，即即 N2 N1(population inversion)。原子激发的几种基本方式：原子激发的几种基本方式：1气体放电激发气体放电激发 2原子间碰撞激发原子间碰撞激发 3光激发光激发(光泵光泵)5/22/20242929-Internal Use Only-Internal Use Only-泵浦方式实现粒子数反转5/22/20243030-Internal Use Only-Internal Use Only-粒子数反转激光物质泵浦机制5/22/20243131-Internal Use Only-Internal Use Only-泵浦源泵浦源必须用外界能量外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为泵浦源。它是形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。从直接完成粒子数反转的方式来分，泵浦方式可分为：光激励方式，气体辉光放电或高频放电方式，直接注入电子方式，化学反应方式，还有热激励、冲击波、电子束、核能等方式。5/22/20243232-Internal Use Only-Internal Use Only-灯泵浦的激光器结构图5/22/20243333-Internal Use Only-Internal Use Only-激光的种类灯泵固体激光器：Cr3+:Ruby、Nd3+:YAG气体放电：He-Ne、CO2、Ar+射频激励：CO2光泵：染料激光、fs激光电子注入：半导体激光器LDPSSL：Nd3+:YVO3光纤激光器：Er3+5/22/20243434-Internal Use Only-Internal Use Only-气体放电气体放电 He Ne 气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转 He-Ne 激光器中激光器中He是辅助物质，是辅助物质，Ne是是激活物质激活物质，He与与 Ne 之比为之比为51 1011。5/22/20243535-Internal Use Only-Internal Use Only-染料染料激光器激光器 利用有机染料分子受到外界光泵的利用有机染料分子受到外界光泵的激励而产生激光。激励而产生激光。若丹明若丹明6G：570 610nm5/22/20243636-Internal Use Only-Internal Use Only-准分子激光器XeCl 308nmKeF 248nmArF 193nm5/22/20243737-Internal Use Only-Internal Use Only-LDPSSL半导体泵浦固体激光器5/22/20243838-Internal Use Only-Internal Use Only-调调 Q（Q Switching）：调节谐振腔的调节谐振腔的损耗，损耗，压缩脉宽，提高脉冲功率。压缩脉宽，提高脉冲功率。Q 是激光谐振腔的品质因子。是激光谐振腔的品质因子。+V V激光介质激光介质激光介质激光介质反射镜反射镜反射镜反射镜R R1 1反射镜反射镜反射镜反射镜R R2 2泵激泵激泵激泵激偏振器偏振器偏振器偏振器克尔盒克尔盒克尔盒克尔盒d d脉冲激光技术脉冲激光技术5/22/20243939-Internal Use Only-Internal Use Only-锁模锁模（Mode Locking）通过对多模激光束进行某种调制，强通过对多模激光束进行某种调制，强迫各模式之间维持固定的频率间隔和相对迫各模式之间维持固定的频率间隔和相对相位，诸模相干叠加而得到超短序列脉冲。相位，诸模相干叠加而得到超短序列脉冲。交变电压的频率交变电压的频率 vm各纵模的频率间隔各纵模的频率间隔vvm=v形成激光振荡形成激光振荡5/22/20244040-Internal Use Only-Internal Use Only-光学谐振腔实现光放大选模5/22/20244141-Internal Use Only-Internal Use Only-光学谐振腔光学谐振腔 纵模与横模纵模与横模(optical harmonic oscillator)(longitudinal mode and transverse mode)激光器有两个反射镜，它们构成一个激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。光学谐振腔。激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光5/22/20244242-Internal Use Only-Internal Use Only-l激光器输出的每一个激光器输出的每一个谐振频率谐振频率成为一个成为一个纵模。纵模。l激光束横截面上光强的稳定激光束横截面上光强的稳定分布模式分布模式称为称为横模。横模。5/22/20244343-Internal Use Only-Internal Use Only-光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用：1.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）；2.增强增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）；3.使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。阈值条件为阈值条件为对于可能有多种跃迁的情况，可以对于可能有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件来选出一种跃迁。利用阈值条件来选出一种跃迁。选频之一：选频之一：5/22/20244444-Internal Use Only-Internal Use Only-可以通过控制可以通过控制1、2的大小实现：的大小实现：对对 0.6328 m 1、R2大大 Gm 小小(易满足阈值条件，使形成激光易满足阈值条件，使形成激光)；对对 1.15 m、3.39 m 1、2小小 Gm大（不满足阈值条件，形不成激光）大（不满足阈值条件，形不成激光）例如，为了在氦氖激光器例如，为了在氦氖激光器 Ne 原子的原子的 0.6328 m,1.15 m,3.39 m 受激辐射光受激辐射光 中中,只让波长只让波长0.6328 m的光输出，的光输出，5/22/20244545-Internal Use Only-Internal Use Only-设氦氖激光器中设氦氖激光器中Ne原子的原子的 0.6328 m 受激辐射光的受激辐射光的谱线频率宽度谱线频率宽度 为为 0 1.3 109 Hz对于单一的跃迁，利用选择纵模对于单一的跃迁，利用选择纵模间隔的方法，进一步在谱线宽度间隔的方法，进一步在谱线宽度内再选频内再选频。选频之二：选频之二：荧光谱线宽度荧光谱线宽度5/22/20244646-Internal Use Only-Internal Use Only-0 0往后还会看出，通过往后还会看出，通过光学谐振腔光学谐振腔的作用，的作用，激光的谱线宽度可以小到激光的谱线宽度可以小到 10-85/22/20244747-Internal Use Only-Internal Use Only-由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，所以有所以有光程光程(k=1、2、3、)k真空中的波长真空中的波长Lk=1k=2k=3n 谐振腔内媒质的折射率谐振腔内媒质的折射率5/22/20244848-Internal Use Only-Internal Use Only-可以存在的纵模频率为可以存在的纵模频率为 相邻两个纵模频率的间隔为相邻两个纵模频率的间隔为 数量级估计：数量级估计：1；n1.0；c108 m s5/22/20244949-Internal Use Only-Internal Use Only-而氦氖激光器而氦氖激光器 0.6328 m 谱线的宽度为谱线的宽度为 =1.7109 HZ因此，在因此，在 区间中，可以存在的纵模个数为区间中，可以存在的纵模个数为5/22/20245050-Internal Use Only-Internal Use Only-利用加大纵模频率间隔利用加大纵模频率间隔 k的方法的方法,可以使可以使 区间中只存在一个纵模频率。区间中只存在一个纵模频率。比如缩短管长比如缩短管长到到 10 c，即即 L/10则则 k10 k在在 区间中，可能存在的纵模个数为区间中，可能存在的纵模个数为=15/22/20245151-Internal Use Only-Internal Use Only-于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出，极于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出，极大地提高了大地提高了0.6328 m 谱线的单色性。谱线的单色性。激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模式。式。产生的原因：产生的原因：对不同空间分布损耗不同。对不同空间分布损耗不同。5/22/20245252-Internal Use Only-Internal Use Only-基横模在激光光束的横截面上各点基横模在激光光束的横截面上各点的位相相同，空间相干性好。的位相相同，空间相干性好。5/22/20245353-Internal Use Only-Internal Use Only-小结：产生激光的必要条件小结：产生激光的必要条件.激励方式（使原子激发）激励方式（使原子激发）.粒子数反转（有合适的亚稳态能级）粒子数反转（有合适的亚稳态能级）.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）5/22/20245454-Internal Use Only-Internal Use Only-半导体激光器电子注入方式5/22/20245555-Internal Use Only-Internal Use Only-半导体激光器（半导体激光器（LD）LD机制与半导体发光二极管相同。在输机制与半导体发光二极管相同。在输入的偏置电压超越某一限值时，在入的偏置电压超越某一限值时，在 pn 结面结面附近电子与空穴的数目很大，形成粒子数反附近电子与空穴的数目很大，形成粒子数反转，引发受激辐射。转，引发受激辐射。优点：高电光转换率、输入电流直接优点：高电光转换率、输入电流直接调制；尺寸小，与其他微电子器件兼容。调制；尺寸小，与其他微电子器件兼容。主要配合光电子器件。主要配合光电子器件。波长：波长：1.31.5 功率：功率：5mW100mW材料材料：GaAs、InGaAs5/22/20245656-Internal Use Only-Internal Use Only-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 由上式可见，对于某一温度T，能级E上的电子占据率唯一地由费米能级EF所确定，因此可以把EF视作电子填充能级水平的一把“尺子”。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。为了说明问题，图(5-25)给出了温度极低时的情况。费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系-Internal Use Only-Internal Use Only-图(5-25)费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系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)。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);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);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);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。-Internal Use Only-Internal Use Only-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ae)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。(图f )中的情况都只有两费米能级，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。-Internal Use Only-Internal Use Only-PNPN结和粒子数反转结和粒子数反转 在热平衡系统中(图ae)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？一、P-N结的双简并能带结构 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PN 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。-Internal Use Only-Internal Use Only-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 当给PN 结加以正向电压V时，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-Internal Use Only-Internal Use Only-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 GaAs PN 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。-Internal Use Only-Internal Use Only-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 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。）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）因为发射的光子能量基本等于禁带宽度Eg，因而要求，因而要求(E-F)一一(E+F)Eg，而，而PN 结两边的结两边的PP型和型和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。带和价带。（3）所加的正向偏压必须满足）所加的正向偏压必须满足 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-Internal Use Only-Internal Use Only-图(5-28)GaAs激光器的结构半导体激光器的工作原理和阈值条件半导体激光器的工作原理和阈值条件 一、半导体激光器的基本结构和工作原理 图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。图(5-28b)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n3.6，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。-Internal Use Only-Internal Use Only-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 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。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。t复合结区电子寿命 t复合=1/A21 n粒子数反转值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-Internal Use Only-Internal Use Only-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 当正向电流密度J达到阈值J阈后形成激光。数值例：GaAs PN 结激光器-Internal Use Only-Internal Use Only-同质结和异质结半导体激光器同质结和异质结半导体激光器 1.伏安特性:与二极管相同，也具有单向导电性，如图(529)所示。一、同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 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 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a总值差异很大；（2）J阈1/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r1r2有关，通常两个反射面都是天然解理面，故 r1=r2=0.32。当腔长转短时，若12L比a总小或接近，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。-Internal Use Only-Internal Use Only-3.方向性:图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。图(5-30)激光束的空间分布示意图 4.光谱特性:图(5-31)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。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。-Internal Use Only-Internal Use Only-GaAs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0.84um,300K时为0.902um。外微分量子效率D: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 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。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 ith 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。5/22/20246969-Internal Use Only-Internal Use Only-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）所示,对于GaAs类半导体激光器,由同种材料GaAs构成的p-n结即为同质结。若一侧为GaAs,而另一侧为GaAlAs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。图(5-32)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GaAlAs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。5/22/20247070-Internal Use Only-Internal Use Only-Double Heterojunction5/22/20247171-Internal Use Only-Internal Use Only-5/22/20247272-Internal Use Only-Internal Use Only-半导体激光器特性 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性。双异质结激光器的光谱特性。832 830 828 826 824832 830 828 826 824832 830 828 826 824驱动电流增大 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图双异质结激光器的光谱特性示意图5/22/20247373-Internal Use Only-Internal Use Only-分布反馈激光器工作原理DBF激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构（波纹状）衍射光栅实现光反馈。衍射光栅的折射率为周期性变化，使有源层分布反馈。由有源层发出的光从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射，另一部分继续前进，在邻近的光栅波纹峰反射。若两部分反射光相互叠加则产生更强反馈，而其他波长的光将被抵消；虽然每个光栅波纹峰反射光不大，但整个光栅有成百上千的波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。5/22/20247474-Internal Use Only-Internal Use Only-5/22/20247575-Internal Use Only-Internal Use Only-光栅的周期下式决定：为材料有效折射率，是布拉格波长，m为衍射系数。在普通DBF激光器中，有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为：为光栅长度。在普通均匀光栅中，引入一个4的相移变换，使原来的波峰变波谷，可有效提高模式选择性和稳定性，实现动态单纵摸激光器的要求。5/22/20247676-Internal Use Only-Internal Use Only-光电材料及其带隙光电材料及其带隙 Robert G.Seippei 1981 P28 ATCM ENERGY GAP(In ev)Cadmium sulfide(Cds)2.4 Galliu