半导体激光器3.pptx

第四章第四章 发光器件发光器件1.白炽光源白炽光源 用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。可取之处。发光器件发光器件2.气体放电光源气体放电光源定义：定义：定义：定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。得到主要在某一光谱范围的辐射。得到主要在某一光谱范围的辐射。得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光是光谱仪器中常用的光是光谱仪器中常用的光是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压源，统称为光谱灯。例如低压源，统称为光谱灯。例如低压源，统称为光谱灯。例如低压汞灯汞灯汞灯汞灯的辐射波长为的辐射波长为的辐射波长为的辐射波长为254nm254nm254nm254nm，钠灯钠灯钠灯钠灯的的的的辐射波长为辐射波长为辐射波长为辐射波长为589nm589nm589nm589nm，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。的波长，如照明日光灯。的波长，如照明日光灯。的波长，如照明日光灯。气体放电灯气体放电灯气体放电灯气体放电灯消耗的能量为白炽灯消耗的能量为白炽灯消耗的能量为白炽灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/31/2-1/31/2-1/31/2-1/3发光二极管发光二极管(Light emitting diode)(Light emitting diode)(Light emitting diode)(Light emitting diode)由半导体由半导体由半导体由半导体PNPNPNPN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿结构成，其工作电压低、响应速度快、寿结构成，其工作电压低、响应速度快、寿结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。半导体中，由于空穴和电子的扩散，在半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PNPN结处形成势垒，从结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PNPN结上加有正向电压时，势结上加有正向电压时，势垒降低，电子由垒降低，电子由N N区注入到区注入到P P区，空穴则由区，空穴则由P P区注入到区注入到N N区，称为少区，称为少数载流子注入。所注入到数载流子注入。所注入到P P区里的电子和区里的电子和P P区里的空穴复合，注入区里的空穴复合，注入到到N N区里的空穴和区里的空穴和N N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。形式放出能量，因而有发光现象。发光二极管是少数载流子在发光二极管是少数载流子在发光二极管是少数载流子在发光二极管是少数载流子在PNPNPNPN结区的结区的结区的结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光注入与复合而产生发光的一种半导体光注入与复合而产生发光的一种半导体光注入与复合而产生发光的一种半导体光源，也称作注入式场致发光光源源，也称作注入式场致发光光源源，也称作注入式场致发光光源源，也称作注入式场致发光光源P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光输出光输出发光二极管的工作原理发光二极管的工作原理有源区有源区 圆形金属触点圆形金属触点SiO2SiO2绝缘层绝缘层SiO2SiO2绝缘层绝缘层金属化层金属化层热沉热沉双双 异异 质质 结结层层衬底衬底限制层限制层接合材料接合材料金属化层金属化层光纤光纤圆形蚀刻孔圆形蚀刻孔金属化层金属化层(用于电接触用于电接触)SiOSiO2 2绝缘层绝缘层双异质结双异质结热沉热沉衬底衬底导光层导光层金属化层金属化层(用于电接触用于电接触)条形接触条形接触(确定有源区确定有源区)有源区有源区 图图 3.14两类发光二极管两类发光二极管(LED)(a)正面发光型；正面发光型；(b)侧面发光型侧面发光型 发光二极管的类型发光二极管的类型发光二极管的类型发光二极管的类型：正面发光型正面发光型LED和和侧面发光型侧面发光型LED LEDLED的光谱特性的光谱特性LEDLEDLEDLED的发光谱决定的发光谱决定的发光谱决定的发光谱决定其发光颜色，目前其发光颜色，目前其发光颜色，目前其发光颜色，目前可实现各类颜色。可实现各类颜色。可实现各类颜色。可实现各类颜色。LEDLEDLEDLED具有正的温度具有正的温度具有正的温度具有正的温度系数，温度升高时，系数，温度升高时，系数，温度升高时，系数，温度升高时，发射波长红移，约发射波长红移，约发射波长红移，约发射波长红移，约为：为：为：为：0.2-0.3nm/0.2-0.3nm/0.2-0.3nm/0.2-0.3nm/度度度度0.20.20.40.40.60.60.80.8 1.0 1.0 0 060060070070080080090090010001000GaAsPGaAsPp=670nmp=670nmp=670nmp=670nmp=655nmp=655nmp=655nmp=655nmGaAsPGaAsPp=565nmp=565nmp=565nmp=565nmGaPp=950nmp=950nmp=950nmp=950nmGaAsGaAs/nmnmnmnm相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度发光二极管的光谱特性发光二极管的光谱特性发光二极管发光二极管LEDLED的频率响应的频率响应 发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管LEDLEDLEDLED的的的的P-IP-IP-IP-I特性曲线特性曲线特性曲线特性曲线原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光4 3 2 1 0 50 100 150 电流电流/mA输输出出光光功功率率/mW0025257070LEDLEDLEDLED驱动电路及伏安特性驱动电路及伏安特性驱动电路及伏安特性驱动电路及伏安特性 UccRLUFIFR RL L为限流电阻为限流电阻U UF F和和I IF F为二极管参数为二极管参数例如：例如：GaAsGaAs电流选用电流选用20mA20mA，GaPGaP电电流选用流选用10mA10mA，即可获得足够，即可获得足够亮度。亮度。1.0 1.5 2.0 2.5 120100806040200阈值特性与材料有关：阈值特性与材料有关：GaAsGaAs是是1.0V1.0V；GaAsPGaAsP、GaAlAsGaAlAs约为约为1.5V1.5V；发红光的；发红光的GaPGaP是是1.8V1.8V，发绿光的，发绿光的GaPGaP是是2.0V2.0V，反向击穿电压一般在反向击穿电压一般在-5V-5V以上。以上。+5VLEDLEDReRb2Rb1VinLEDLEDLEDLED信号控制电路信号控制电路信号控制电路信号控制电路 LEDLED的特点及应用的特点及应用一、特点一、特点一、特点一、特点 1 1 1 1、LEDLEDLEDLED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。2 2 2 2、LEDLEDLEDLED的的的的发发发发光光光光颜颜颜颜色色色色非非非非常常常常丰丰丰丰富富富富，通通通通过过过过选选选选用用用用不不不不同同同同的的的的材材材材料料料料，可可可可以以以以实实实实现现现现各各各各种种种种发发发发光光光光颜颜颜颜色色色色。如如如如采采采采用用用用GaP:ZnOGaP:ZnOGaP:ZnOGaP:ZnO或或或或GaAsPGaAsPGaAsPGaAsP材材材材料料料料的的的的红红红红色色色色LEDLEDLEDLED，GaAsPGaAsPGaAsPGaAsP材材材材料料料料的的的的橙橙橙橙色色色色、黄黄黄黄色色色色LEDLEDLEDLED，以以以以及及及及GaNGaNGaNGaN蓝蓝蓝蓝色色色色LEDLEDLEDLED等等等等。而而而而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。3 3 3 3、LEDLEDLEDLED的的的的辉辉辉辉度度度度高高高高。随随随随着着着着各各各各种种种种颜颜颜颜色色色色LEDLEDLEDLED辉辉辉辉度度度度的的的的迅迅迅迅速速速速提提提提高高高高，即即即即使使使使在在在在日日日日光光光光下下下下，由由由由LEDLEDLEDLED发发发发出出出出的的的的光光光光也也也也能能能能辨辨辨辨认认认认。正正正正是是是是基基基基于于于于这这这这一一一一优优优优势势势势，在在在在室室室室外外外外用用用用信信信信息息息息板板板板、广广广广告告告告牌牌牌牌、道道道道路路路路通通通通行行行行状状状状况况况况告告告告示示示示牌牌牌牌等等等等方方方方面面面面的应用正迅速扩大。的应用正迅速扩大。的应用正迅速扩大。的应用正迅速扩大。4 4 4 4、LEDLEDLEDLED的的的的单单单单元元元元体体体体积积积积小小小小。在在在在其其其其他他他他显显显显示示示示器器器器件件件件不不不不能能能能使使使使用用用用的的的的极极极极小小小小的的的的范范范范围围围围内内内内也也也也可可可可使使使使用用用用，再再再再加加加加上上上上低低低低电电电电压压压压、低低低低电电电电流流流流驱驱驱驱动动动动的的的的特特特特点点点点，作作作作为为为为电电电电子子子子仪仪仪仪器器器器设设设设备备备备、家家家家用用用用电电电电器器器器的的的的指指指指示示示示灯灯灯灯、信信信信号号号号灯的使用范围还会进一步扩大。灯的使用范围还会进一步扩大。灯的使用范围还会进一步扩大。灯的使用范围还会进一步扩大。5 5 5 5、寿寿寿寿命命命命长长长长，基基基基本本本本上上上上不不不不需需需需要要要要维维维维修修修修。可可可可作作作作为为为为地地地地板板板板、马马马马路路路路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域广场地面的信号光源，是一个新的应用领域广场地面的信号光源，是一个新的应用领域广场地面的信号光源，是一个新的应用领域 二、二、二、二、应用应用应用应用 1 1 1 1、指示灯指示灯指示灯指示灯 2 2 2 2、数字显示用显示器、数字显示用显示器、数字显示用显示器、数字显示用显示器 利利利利用用用用LEDLEDLEDLED进进进进行行行行数数数数字字字字显显显显示示示示，有有有有点点点点矩矩矩矩阵阵阵阵型型型型和和和和字字字字段段段段型型型型两两两两种方式。种方式。种方式。种方式。点矩阵型数字显示点矩阵型数字显示点矩阵型数字显示点矩阵型数字显示 字段型数字显示字段型数字显示字段型数字显示字段型数字显示 树脂树脂反射框反射框引引 线线 框框架架LED芯片芯片3 3 3 3、平面显示器、平面显示器、平面显示器、平面显示器 LEDLEDLEDLED平面显示器可分为单片型、混合型及点平面显示器可分为单片型、混合型及点平面显示器可分为单片型、混合型及点平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。矩阵型等几大类。矩阵型等几大类。矩阵型等几大类。4 4 4 4、光源、光源、光源、光源 LEDLEDLEDLED除用做显示器件外，还可用做各种装除用做显示器件外，还可用做各种装除用做显示器件外，还可用做各种装除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。例如置、系统的光源。例如置、系统的光源。例如置、系统的光源。例如HBLEDHBLEDHBLEDHBLED。激光器激光器梅曼和第一只激光器梅曼和第一只激光器 2、按工作、按工作方式分类方式分类 连续式（功率可达连续式（功率可达104 W）脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1017W/cm2）激光器的种类：激光器的种类：固体固体 （如红宝石（如红宝石AlAl2 2O O3 3）液体液体 （如某些染料）（如某些染料）气体气体 （如（如He-NeHe-Ne、COCO2 2）半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAsGaAs）自由电子激光器自由电子激光器1、按工作、按工作物质分类物质分类激光器的工作原理激光器的工作原理自由辐射、受激吸收和自由辐射、受激吸收和受激辐射受激辐射工作物质工作物质激励能源激励能源光学谐振腔光学谐振腔产生激光产生激光必要条件必要条件1.1.实现粒子数反转实现粒子数反转.使工作物质被激发使工作物质被激发.要实现光放大要实现光放大 一、气体激光器一、气体激光器He-NeHe-Ne气体激光器气体激光器He-Ne He-Ne 激光器中激光器中HeHe是辅助物质，是辅助物质，NeNe是激活物质，是激活物质，HeHe与与NeNe之比为之比为51 51 101101。NeNe原子可以产生多条激光谱线原子可以产生多条激光谱线,最强的三条最强的三条:0 063286328、1 115 15 m m、3 339 39 根据工作物质分类：根据工作物质分类：红宝石：激活离子红宝石：激活离子CrCr3+3+，波长：，波长：694.3nm694.3nm，三能级；，三能级；Nd:YAGNd:YAG：激活离子：激活离子：NdNd，波长：，波长：1.061.06 m m，四能级；，四能级；钕玻璃：钕玻璃：激活离子：激活离子：NdNd，波长，波长:1.061.06 m m，四能级；，四能级；二、固体激光器二、固体激光器1960196019601960年年年年5 5 5 5月月月月15151515日，加州休斯实验室的梅曼日，加州休斯实验室的梅曼日，加州休斯实验室的梅曼日，加州休斯实验室的梅曼（T.H.Maiman,1927T.H.Maiman,1927T.H.Maiman,1927T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一台）制成了世界上第一台）制成了世界上第一台）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，波长为波长为波长为波长为694.3694.3694.3694.3纳米。纳米。纳米。纳米。红宝石激光器红宝石激光器灯泵浦灯泵浦Nd:YAGNd:YAG激光器激光器 大功率激光器中，典型的大功率激光器中，典型的Nd:YAGNd:YAG棒一般是长棒一般是长150mm150mm，直径，直径7-10mm7-10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单棒功率。单棒Nd:YAGNd:YAG激光器的功率范围约为激光器的功率范围约为50-800W50-800W。固体激光器固体激光器1kW1kW的脉冲的脉冲Nd:YAGNd:YAG激光器激光器液体激光器液体激光器三、染料激光器三、染料激光器半导体激光器半导体激光器四、半导体激光器（四、半导体激光器（LD，Laser Diode）五、激光器的基本特性五、激光器的基本特性1 1、单色性、单色性激光激光自然光自然光波长波长能能量量激光中单色性最好的是气体激激光中单色性最好的是气体激光器产生的激光。光器产生的激光。He-NeHe-Ne激光器激光器产生的产生的632.8nm632.8nm谱线，线宽只有谱线，线宽只有1010-9-9nmnm。普通光源中单色性最好的普通光源中单色性最好的用来作为长度基准器的氪灯用来作为长度基准器的氪灯(Kr86)(Kr86)，其谱线宽度为，其谱线宽度为4.7104.710-3-3nmnm。激光的单色性比一般光要高出。激光的单色性比一般光要高出10106 610107 7倍以上倍以上 .自然光由波场范围较宽的光构成，激光的谱线展宽极小，具自然光由波场范围较宽的光构成，激光的谱线展宽极小，具有很好的单色性。单色性决定物质对激光能量的吸收和精细有很好的单色性。单色性决定物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性；聚焦的可能性；COCO2 2：10.6m CO10.6m CO：5.4m YAG5.4m YAG：1.06m 1.06m 准分子：准分子：0.24m0.24m；光缆光缆 从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于于1010-3-3-10-10-5-5弧度。激光通过直径为弧度。激光通过直径为D D的孔径时，由的孔径时，由于衍射会产生一定发散：于衍射会产生一定发散：2 2、方向性好、方向性好HeNeHeNe气体激光气体激光：310310-4-4radrad；固体激光固体激光：1010-2-2radrad 半导体激光半导体激光：5 5-10-10。激光的方向性带来两个激光的方向性带来两个结果：结果：光源表面的亮光源表面的亮度高；被照射地方光的度高；被照射地方光的照度大。照度大。一个具有一个具有10mW10mW功率功率的的He-NeHe-Ne激光器可产生激光器可产生比太阳高几千倍的亮度，比太阳高几千倍的亮度，可在屏幕上形成面积很可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。小但照度很大的光斑。激光定位、导向、测激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的距等就利用了方向性好的特点。特点。3 3、高亮度、高亮度 亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率。位立体角内发射的功率。激光的输出功率虽然有个限激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在亮度也特别大。把分散在180180范围内的光集中到范围内的光集中到0.18 0.18 范围，范围，亮度提高亮度提高100100万倍。通过调万倍。通过调Q Q等技等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。步提高亮度。4 4、相干性好、相干性好自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。相干长度只杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。相干长度只有几个有几个mmmm或几十或几十cmcm。激光是受激辐射，单色性、发散角小，在空间和时间激光是受激辐射，单色性、发散角小，在空间和时间上有很好的相干性。两激光束合成后能形成相位整齐、规则有上有很好的相干性。两激光束合成后能形成相位整齐、规则有序的大振幅光波。相干长度达到几十公里。采用稳频技术，序的大振幅光波。相干长度达到几十公里。采用稳频技术，HeNeHeNe激光线宽可压缩到激光线宽可压缩到10kHz10kHz，相干长度可达，相干长度可达30km30km。全息照相全息照相相干计量、全息照相、相干计量、全息照相、全息存储等就利用了激全息存储等就利用了激光相干性好的特点。光相干性好的特点。半导体激光器半导体激光器 光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件 半导体激光器的结构半导体激光器的结构半导体激光器的结构半导体激光器的结构半导体激光器特性半导体激光器特性半导体激光器特性半导体激光器特性LDLD的应用的应用的应用的应用 光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件激光器稳定工作的必要条件激光器稳定工作的必要条件激光器稳定工作的必要条件激光器稳定工作的必要条件:(1)(1)粒子数反转产生增益粒子数反转产生增益粒子数反转产生增益粒子数反转产生增益(2)(2)提供光的反馈提供光的反馈提供光的反馈提供光的反馈:其中最简单的是法布其中最简单的是法布其中最简单的是法布其中最简单的是法布 里里里里珀罗腔珀罗腔珀罗腔珀罗腔图图图图4.4.1-14.4.1-1激光二极管的谐振腔激光二极管的谐振腔激光二极管的谐振腔激光二极管的谐振腔 注入电流注入电流有源区有源区解理面解理面解理面解理面L增益介质增益介质R1R2z=0z=L光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为的振荡，这一增益称为的振荡，这一增益称为的振荡，这一增益称为阈值增益阈值增益阈值增益阈值增益。为达到阈值增益所。为达到阈值增益所。为达到阈值增益所。为达到阈值增益所要求的注入电流称为要求的注入电流称为要求的注入电流称为要求的注入电流称为阈值电流阈值电流阈值电流阈值电流。一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。为工作模式，即在该频率上形成激光输出。为工作模式，即在该频率上形成激光输出。为工作模式，即在该频率上形成激光输出。有有有有2 2个以上纵模激振的激光器，称为个以上纵模激振的激光器，称为个以上纵模激振的激光器，称为个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器多纵模激光器多纵模激光器多纵模激光器。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，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，这样的激光器称为可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为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单纵模激光器单纵模激光器单纵模激光器。半导体激光器的结构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最简单的半导体激光器由一个薄有源层最简单的半导体激光器由一个薄有源层最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约（厚度约（厚度约（厚度约0.1m0.1m）、）、）、）、P P型和型和型和型和N N型限制层构成，如型限制层构成，如型限制层构成，如型限制层构成，如图所示。图所示。图所示。图所示。大面积半导体激光器大面积半导体激光器大面积半导体激光器大面积半导体激光器解理面解理面金属接触金属接触电流电流有源层有源层P型型N型型300m100m200m半导体激光器的结构半导体激光器的结构这样的激光器面积大，称为这样的激光器面积大，称为这样的激光器面积大，称为这样的激光器面积大，称为大面积激光器大面积激光器大面积激光器大面积激光器。为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了用了用了用了增益导引型增益导引型增益导引型增益导引型和和和和折射率导引型折射率导引型折射率导引型折射率导引型结构。结构。结构。结构。一、增益导引型半导体激光器一、增益导引型半导体激光器一、增益导引型半导体激光器一、增益导引型半导体激光器解决光限制问题的一种简单方案是将注入电解决光限制问题的一种简单方案是将注入电解决光限制问题的一种简单方案是将注入电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，这样的激光器称为流限制在一个窄条里，这样的激光器称为流限制在一个窄条里，这样的激光器称为流限制在一个窄条里，这样的激光器称为条形半条形半条形半条形半导体激光器导体激光器导体激光器导体激光器，其结构如图所示。将一绝缘层介质，其结构如图所示。将一绝缘层介质，其结构如图所示。将一绝缘层介质，其结构如图所示。将一绝缘层介质(SiO(SiO2 2)淀积在淀积在淀积在淀积在P P层上，中间敞开以注入电流。由于层上，中间敞开以注入电流。由于层上，中间敞开以注入电流。由于层上，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，这样光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为的激光器称为的激光器称为的激光器称为增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器。增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器 二、二、二、二、折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，P-InPInGaAsPN-InPN+-InP衬底衬底P-InGaAsP绝缘介质绝缘介质半导体激光器的结构半导体激光器的结构这种激光器称为这种激光器称为这种激光器称为这种激光器称为折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器。折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器P-InPInGaAsP有源层有源层N-InPN+-InP衬底衬底接点接点SiO2SiO2半导体激光器的结构半导体激光器的结构半导体激光器特性半导体激光器特性一、光谱特性一、光谱特性一、光谱特性一、光谱特性 GaAIAsGaAIAs双异质结激光器的光谱特性。双异质结激光器的光谱特性。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驱动电流增大驱动电流增大 图图4.4.3-1 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 波波长长取取决决于于激激光光器器的的光光学学腔腔长长，称称为为激激光器的光器的纵模纵模半导体激光器特性半导体激光器特性2 当当当当驱驱驱驱动动动动电电电电流流流流足足足足够够够够大大大大时时时时，多多多多纵纵纵纵模模模模变变变变为为为为单单单单纵纵纵纵模模模模，称称称称为为为为当当当当驱驱驱驱动动动动电电电电流流流流足足足足够够够够大大大大时时时时，多多多多纵纵纵纵模模模模变变变变为为为为单单单单纵纵纵纵模模模模，称为称为称为称为静态单纵模激光器静态单纵模激光器静态单纵模激光器静态单纵模激光器。二、激光束的空间分布二、激光束的空间分布二、激光束的空间分布二、激光束的空间分布 近场近场近场近场是指激光器反射镜面上的光强分布，是指激光器反射镜面上的光强分布，是指激光器反射镜面上的光强分布，是指激光器反射镜面上的光强分布，远场远场远场远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。是指离反射镜面一定距离处的光强分布。是指离反射镜面一定距离处的光强分布。是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为强呈现周期性的空间分布，称为强呈现周期性的空间分布，称为强呈现周期性的空间分布，称为多横模多横模多横模多横模；在垂；在垂；在垂；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是向的场图总是向的场图总是向的场图总是单横模单横模单横模单横模。典型典型典型典型LDLD的远场辐射特性的远场辐射特性的远场辐射特性的远场辐射特性图为典型图为典型图为典型图为典型LDLD的远场辐射特性，图中与分别为平行于结平面的远场辐射特性，图中与分别为平行于结平面的远场辐射特性，图中与分别为平行于结平面的远场辐射特性，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。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。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。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 发发射射光光功功率率P/mW 80 40 0 40 80 辐射角辐射角(度度)相相对对光光强强 半导体激光器特性半导体激光器特性2三、转换效率与输出光功率特性三、转换效率与输出光功率特性三、转换效率与输出光功率特性三、转换效率与输出光功率特性激光器的电激光器的电激光器的电激光器的电光转换效率用外微分量子效率光转换效率用外微分量子效率光转换效率用外微分量子效率光转换效率用外微分量子效率半导体激光器特性半导体激光器特性2表表示示，其其定定义义为为在在阈阈值值电电流流以以上上，每每对对复复合合载载流流子子产产生生的光子数的光子数 4.4.3-1 由此得到由此得到 4.4.3-2 式式中中，P和和I分分别别为为激激光光器器的的输输出出光光功功率率与与驱驱动动电电流流，Pth和和Ith分分别别为为对对应应的的阈阈值值，hf与与e分分别别为为光光子子能能量量与与电子电荷。电子电荷。激光器的输出光功率通常用激光器的输出光功率通常用激光器的输出光功率通常用激光器的输出光功率通常用P-IP-I曲线表示，图曲线表示，图曲线表示，图曲线表示，图4.4.3-34.4.3-3为典型为典型为典型为典型LDLD的光功率特性曲线。当的光功率特性曲线。当的光功率特性曲线。当的光功率特性曲线。当时，激光器发出的时，激光器发出的时，激光器发出的时，激光器发出的是自发辐射光，当是自发辐射光，当是自发辐射光，当是自发辐射光，当时，发出的是受激辐射光，光功时，发出的是受激辐射光，光功时，发出的是受激辐射光，光功时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。率随驱动电流的增加而增加。率随驱动电流的增加而增加。率随驱动电流的增加而增加。半导体激光器特性半导体激光器特性2543210 0 50 100 I/mA发发射射光光功功率率P/mW典型典型LD的光功率特性曲线线的光功率特性曲线线四、温度特性四、温度特性四、温度特性四、温度特性 温温温温度度度度变变变变化化化化将将将将改改改改变变变变激激激激光光光光器器器器的的的的输输输输出出出出光光光光功功功功率率率率，有有有有两两两两个个个个原原原原因因因因：一一一一是是是是激激激激光光光光器器器器的的的的阈阈阈阈值值值值电电电电流流流流随随随随温温温温度度度度升升升升高高高高而而而而增增增增大大大大，二二二二是是是是外外外外微微微微分分分分量量量量子子子子效效效效率率率率随随随随温温温温度度度度升升升升高高高高而而而而减减减减小小小小。图图图图给给给给出出出出了了了了LDLD的的的的P-IP-I曲曲曲曲线线线线随随随随温温温温度度度度变变变变化化化化的实例。的实例。的实例。的实例。图图图图4.4.3-4LD4.4.3-4LD的的的的P-IP-I曲线随温度的变化曲线随温度的变化曲线随温度的变化曲线随温度的变化 半导体激光器特性半导体激光器特性2543210 0 50 100 I/mA发发射射光光功功率率P/mW 22 50 70 LD的封装方式的封装方式同轴式同轴式双列直插式双列直插式蝶形封装蝶形封装LD的应用的应用LD的应用的应用一、光纤通信系统的光源一、光纤通信系统的光源一、光纤通信系统的光源一、光纤通信系统的光源二、光学测量系统的光源二、光学测量系统的光源二、光学测量系统的光源二、光学测量系统的光源 三、其他应用三、其他应用三、其他应用三、其他应用