半导体激光器课件.pptx

半导体激光器半导体激光器三、半导体激光器的工作原理和阈值条件三、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半导体激光器的基本结构和工作原理1 图图7.3.67.3.6示出了示出了GaAsGaAs激光器的结构激光器的结构图图7.3.67.3.6 GaAsGaAs激光器的结构激光器的结构三、半导体激光器的工作原理和阈值条件三、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阈值半导体激光器的工作阈值2 激光器产生激光的前提条件除了粒子数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发生反转还需要满足阈值条件 增益系数和粒子数反转的关系也取决于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谐振腔内的工作物质三、半导体激光器的工作原理和阈值条件三、半导体激光器的工作原理和阈值条件半导体激光器的阈值电流半导体激光器的阈值电流3 在低温下，假设在低温下，假设激光器在一定的时间间隔内，激光器在一定的时间间隔内，注入注入激光器的电子总数激光器的电子总数与同样时间内发生的与同样时间内发生的电子与空穴复电子与空穴复合数相等合数相等而而达到平衡达到平衡四、四、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同同质结砷化砷化镓(GaAs)激光器的特性激光器的特性1 伏安特性：伏安特性：与二极管相同，具有与二极管相同，具有单向导电性单向导电性，如图，如图 7.3.77.3.7 阈值电流密度：阈值电流密度：影响影响阈值的因数很多。阈值的因数很多。图图7.3.7 GaAs7.3.7 GaAs激光器的伏安特性激光器的伏安特性影响阈值电流密度的因数有影响阈值电流密度的因数有：（：（1 1）晶体的掺杂）晶体的掺杂浓度越大，浓度越大，阈值越小；（阈值越小；（2 2）谐振腔的损耗越小，）谐振腔的损耗越小，阈值越小；（阈值越小；（3 3）在一定范围内，腔长越长，阈）在一定范围内，腔长越长，阈值越低；（值越低；（4 4）温度对阈值电流的影响很大，半）温度对阈值电流的影响很大，半导体激光器宜在低温或室温下工作。导体激光器宜在低温或室温下工作。同质结半导体激光器的阈值电流密度很高，达同质结半导体激光器的阈值电流密度很高，达3103104 45105104 4 A/cmA/cm2 2 。这样高的电流密度，将。这样高的电流密度，将使器件发热。因此，在室温下，同质结半导体使器件发热。因此，在室温下，同质结半导体激光器只能以低重复率（几千赫兹至几十千赫激光器只能以低重复率（几千赫兹至几十千赫兹）脉冲工作兹）脉冲工作 。四、四、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同同质结砷化砷化镓(GaAs)激光器的特性激光器的特性1 方向性：方向性：图图7.3.87.3.8给出了半导体激光束的空间分布示意图。给出了半导体激光束的空间分布示意图。图图7.3.8 7.3.8 激光束的空间分布示意图激光束的空间分布示意图四、四、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同同质结砷化砷化镓(GaAs)激光器的特性激光器的特性1 光谱特性：光谱特性：图图7.3.97.3.9是是GaAsGaAs激光器的发射光谱。激光器的发射光谱。图图(a)(a)是低于阈值时的荧光是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃光谱，谱宽一般为几百埃图图(b)(b)是注入电流达到或大是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。宽达几十埃。图图(a)(a)低于阈值低于阈值图图(b)(b)高于阈值高于阈值四、同质结和异质四、同质结和异质结半导体激光器结半导体激光器同同质结砷化砷化镓(GaAs)激光器的特性激光器的特性1转换效率转换效率 注入式半导体激光器是一种把电功率直接注入式半导体激光器是一种把电功率直接转换为光功率的器件，转换效率极高。转换效转换为光功率的器件，转换效率极高。转换效率通常用量子效率和功率效率量度。率通常用量子效率和功率效率量度。四、同质结和异质四、同质结和异质结半导体激光器结半导体激光器同同质结砷化砷化镓(GaAs)激光器的特性激光器的特性1 外微分量子效率外微分量子效率 功率效率功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比与输入电功率之比四、四、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异质结半导体激光器异质结半导体激光器2(a)(a)同质结同质结 （b b）单异质结）单异质结 （c）双异质结）双异质结 四、四、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异质结半导体激光器异质结半导体激光器2 异质结是由不同材料构成的结，形成结的两种材料沿界面具异质结是由不同材料构成的结，形成结的两种材料沿界面具有相近的结构，以保持晶格的连续性。有相近的结构，以保持晶格的连续性。四、四、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异质结半导体激光器异质结半导体激光器2 为了克服同质结半导体激光器的缺点，提高功率和为了克服同质结半导体激光器的缺点，提高功率和效率，降低阈值电流，研制出了异质结半导体激光器。效率，降低阈值电流，研制出了异质结半导体激光器。四、同质结和异质结半导体激光器四、同质结和异质结半导体激光器通过学习我们知道半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。课后查阅学习课后查阅学习1.1.查阅教材查阅教材学习学习异质结半导体激光器的性能。异质结半导体激光器的性能。2.2.查阅查阅闫吉祥主编教材闫吉祥主编教材激光原理与技术激光原理与技术，学习学习了解了解半导体激光器当前发展趋势半导体激光器当前发展趋势。五、半导体激光器当前发展趋势五、半导体激光器当前发展趋势半导体激光器当前发展的两个主要方向是提高器件功率水半导体激光器当前发展的两个主要方向是提高器件功率水平和采用平和采用 表面发射技术表面发射技术五、半导体激光器当前发展趋势五、半导体激光器当前发展趋势1.大功率半导体激光器 大功率半导体激光器分单模工作和多模工作两类。对单模运转，功率超过100mW即算是大功率，而多模工作的器件输出可达千瓦量级，且通常在半导体阵列中实现。五、半导体激光器当前发展趋势五、半导体激光器当前发展趋势单模激光器实现高功率运转的主要限制因数有：1.空间烧孔效应引起多模工作；2.当功率很高时，腔镜反射膜对激光能量的吸收导致膜层的严重损坏；3.激活区的温度随电流增加而升高。五、半导体激光器当前发展趋势五、半导体激光器当前发展趋势多模半导体激光阵列由一排相互连接的激光器组成。当它们彼此相互很近时，例如不超过10m时，由于相邻激光模重叠，可以使所有激光器同相位运转，产生相干输出。五、半导体激光器当前发展趋势五、半导体激光器当前发展趋势如果组成阵列的元激光器彼此相距较远，则每一个独立的激光模相对于其他激光输出相位上是随机的，因此光束总体相干性较差。而这种器件的优点是具有较好的散热性，所以允许更高的功率输出。五、半导体激光器当前发展趋势五、半导体激光器当前发展趋势2.表面发射激光器在激光增值介质结平面垂直方向上发射的激光器称为表面发射激光器五、半导体激光器当前发展趋势五、半导体激光器当前发展趋势表面发射结构便于制成二维阵列，这在以下两方面非常有利五、半导体激光器当前发展趋势五、半导体激光器当前发展趋势首先，如果阵列中的每个激光器可单独开关，则相当于很多独立放大器，可被应用于光记忆、光计算及光学数据存储等。五、半导体激光器当前发展趋势五、半导体激光器当前发展趋势其次，当阵列中的大量二极管激光器同时发射时，可产生很高的功率输出，非常适合泵浦固体激光器。此外，这种器件还可用宽面发射来进一步提高输出功率。