第3章 半导体激光器材料
半导体激光器基本结构
第3章 通信用光器件
产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位 物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为 N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布
N2 E2－E1 ＝exp－ N1 kT
(3.2)
式中，k=1.381×10－23 J/K，为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。 由于(E2－E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。这是因 为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速 率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如 果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光 强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。
第3章 通信用光器件
T I th＝I 0 exp( ) T0
(3.9)
式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特 征温度。GaAlAs-GaAs激光器T0=100～150 K、InGaAsP-InP激光 器T0=40～70 K，所以长波长InGaAsP-此靠近，
组成有一定宽度的带，称为能带。形成共价键的价电子所占 据的能带称为价带（低能带），而价带上面临近的空带（自
由电子占据的能带）称为导带（高能带）。二者之间的区域
称为禁带。
第3章 通信用光器件
3. 激光振荡和光学谐振腔
粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产 生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方 向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射 镜构成，并被称为法布里-珀罗(F-P，Fabry Perot)谐振腔。由于 谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自 发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播 的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈， 不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提 高。
半导体激光器 材料
半导体激光器材料
半导体激光器，也被称为激光二极管，是一种使用半导体材料作为工作物质的激光器。
由于物质结构上的差异，不同种类的半导体激光器产生激光的具体过程会有所不同。
在制作半导体激光器时，需要使用满足一定要求的半导体材料。
这些要求包括：
1. 直接带隙：只有具有直接带隙的材料，在电子-空穴复合产生光子时，才无需声子参加，从而有较高的发光效率。
2. 晶格匹配：作用层和限制层的晶格需要匹配，以确保激光器的性能。
3. 晶体完整性：要求晶体完整，位错密度、有害杂质浓度应尽量小。
常用的半导体激光器工作物质包括砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
此外，半导体材料是一类具有半导体性能的电子材料，其导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内。
按照化学组成、
结构和性能的不同，半导体材料可以分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体等。
总的来说，对于半导体激光器的应用和发展，其材料的选择和处理是非常重要的。
半导体激光器资料
半导体激光器资料半导体激光器（Semiconductor Laser）是一种利用半导体材料发射激光的装置。
该装置被广泛应用于通信、医学、材料加工等领域，是20世纪最重要的科技创新之一、本文将介绍半导体激光器的原理、结构、性能及应用。
半导体激光器的工作原理主要是电子复合：当电流通过半导体器件时，正电子与负电子之间发生复合的现象，释放出能量。
这种能量释放通过光的形式，即激光。
与其他类型的激光器不同，半导体激光器的工作原理是基于半导体材料的直接能带结构，可以利用半导体材料的电学性质来控制激光的特性。
半导体激光器通常由以下几个基本部分组成：激活材料、泵浦源、光学腔、输出镜和电流注入结构。
半导体激光器的激活材料一般是由III-V族元素化合物半导体材料构成，如氮化镓（GaN）、磷化铟（InP）等。
泵浦源通常是电流或光，其作用是提供能量给激活材料。
光学腔是由两个平行的半反射镜组成，通过反射来放大光强。
输出镜是腔外的一面镜子，用于将激光从腔中引出。
电流注入结构是用来提供电流给激活材料。
半导体激光器具有许多优点，如体积小、能耗低、效率高、寿命长等。
其小巧的体积使得半导体激光器可以集成到复杂的系统中，例如通信设备中的激光二极管。
能耗低意味着半导体激光器可以在电池供电的移动设备中使用，并且不会过度消耗电能。
高效率使得半导体激光器可以更好地利用能量，输出更强的激光功率。
寿命长意味着半导体激光器的使用寿命较长，不需要频繁更换，从而降低了维护成本。
半导体激光器具有广泛的应用，其中最重要的一项是通信。
半导体激光器可以通过光纤传输大量的数据，提供高速、高带宽的通信。
此外，半导体激光器还可以用于激光打印机、医学设备、材料加工等领域。
例如，半导体激光器可以用于激光雷达、激光治疗器和激光切割机等设备中。
总之，半导体激光器是一种重要的光源装置，具有广泛的应用前景。
通过利用半导体材料的电学性质，可以控制激光的特性，使其具有小巧、高效、长寿命的特点。
半导体激光器原理
半导体激光器原理
半导体激光器是利用半导体材料的特性产生激光束的一种器件。
它的工作原理基于半导体材料中电子能级的跃迁。
在激光器中，通常使用的半导体材料是由两种不同掺杂类型的半导体材料构成的PN结。
当外加电压施加在PN结上时，电
子从N区域流向P区域，而空穴则从P区域流向N区域。
当
电子和空穴在PN结的交界处重新结合时，会释放出能量。
这
能量释放的过程就是激光产生的基础。
在半导体材料中，能带结构可以分为价带和导带。
当材料处于基态时，电子填充在价带中，但是通过提供适当的能量，电子可以跃迁到导带中。
这个过程被称为光激发或电子激发。
在半导体激光器中，通过施加电压，使准确能量的电子跃迁至导带。
这个过程被称为激子的形成。
当电子从激子态跃迁回到基态时，会释放出光子。
这些光子经过多次反射和放大（通过增强光程），形成了强大的激光束。
为了增强激光的一致性和方向性，半导体激光器通常使用谐振腔。
谐振腔由两个反射镜构成，使得光以特定波长的形式在激光器内部反射。
其中一个反射镜是高反射镜，具有非常高的反射率，而另一个镜子是半透射镜，只有一小部分光能透过。
通过调节激光器的驱动电流和温度等参数，可以控制激光的频率和输出功率。
半导体激光器可以广泛应用于通信、医疗、制造和科学研究等领域。
半导体激光器
这种激光器发光效率更高，电 流阈值更小，出射光单色性更好。
导带
E3C E2C E1C
ΔEC
垂直于有源层方向上运动的载
hv
流子动能可量子化成分立的能级， Eg(GaAlAs) 这类似于一维势阱的量子力学问题，
Eg(GaAs)
因而这类激光器叫做量子阱激光器。
E1V E2V
E3V 价带
E1V E2V
ΔEV
1964诺贝尔物理学奖
• N.G.巴索夫
• 用于产生激光 光束的振荡器 和放大器的研 究工作
半导体激光器研究前沿
夹于宽带隙半导体（如GaAlAs）中间的窄带隙半导体 （如GaAs）起着载流子（电子和空穴）陷阱的作用，一般的 半导体激光器其厚度约为100～200nm，但随着有源层厚度的 减小，如5～10nm，载流子在垂直于有源层方向上出现量子 效应，即出现量子化分立能级，称之为量子阱激光器。
半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结 或PIN结为工作物质的一种小型化激光器。其工作原理 是受激辐射，利用半导体物质在能带间跃迁发光，用半 导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜， 组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输 出激光。
半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器 的半导体材料有砷化稼（GaAs）、砷化铟（InAs）、氮 化镓（GaN）、锑化铟（InSb）、硫化镉（Cds）、蹄 化镉（CdTe）、硒化铅（PbSe）、啼化铅（PhTe）、 铝镓砷（A1xGaAs）、铟磷砷（In-PxAs）等。
增益区的导带有大量的电子，价带大量是空穴，在电子 和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合， 产生自发辐射光。这种光发射的范围宽、不集中、效率低。 要真正实现粒子数反转以发射激光，必须对载流子及发射光 施加附加的限制——异质结的引入。
4第三章半导体激光器件(精)
自由电子定向移动 形成电子流 外电场E
+4
禁带EG 价带
束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流
+4
+4
+4
本征半导体
由此我们可以看出：
1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴 它们是成对出现的
2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动 空穴流 价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动
主要半导体材料
★ IV族半导体材料 ----硅Si，锗Ge
间接带隙
----用于集成电路、光电检测
★ III-V族化合物半导体材料 ---GaAs, InP，GaAlAs，InGaAsP
---用于集成电路、发光器件、光电检测
★ II-VI族化合物半导体材料 ----GdTe, ZnTe, HgGdTe, ZnSeTe
E fc E fv h Eg
PN结的形成
内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动 P区 N区 扩散运动 载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流
扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡
内电场
我们一起作个总结
因浓度差
38
处于反转状态，受激辐射 可大于受激吸收！
PN结光电效应
Light
PN结光电效应
当光子能量大于半导体的禁带宽度时，在 PN结的耗尽 区、P区和N区都将产生光生的电子-空穴对。 在耗尽区产生的光生载流子在内电场的作用下，电子迅 速移向 N区，空穴迅速移向 P区，从而在回路中产生光 电流。 在P区和N区产生的光生载流子由于没有内电场的作用， 只能进行自由扩散，大多数将被复合掉，而对光电流的 贡献很小。 为了充分利用各区产生的光生载流子，通常在实际的 半导体的PN结上加有适当的反向偏压。
半导体激光器
半导体激光器简介：半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。
常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。
半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。
同质结激光器和单异质结激光器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。
半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。
工作原理：半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。
半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。
电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。
电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。
光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。
现状：目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。
半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。
半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。
半导体激光器
半导体激光器半导体激光器：光电技术的重要突破引言随着科技的飞速发展，半导体激光器作为一项重要的光电技术正逐渐成为人们关注的焦点。
半导体激光器具有窄谱线宽、高光输出功率、高能量转换效率等优点，广泛应用于通讯、医学、照明等领域。
本文将为您详细介绍半导体激光器的原理、特点以及应用前景。
一、半导体激光器的原理半导体激光器是一种通过激发半导体材料产生激光的器件。
它由半导体材料构成，其中镜子是主要的光学部件。
通过在半导体材料中注入电流，将电能转化为光能，通过反射镜的反射和透过作用，使光在腔内来回反射，从而放大并产生激光。
这一过程主要依赖于激子的生成、传输和激发。
二、半导体激光器的特点1. 窄谱线宽：半导体激光器的谱线宽度通常较窄，能够在光的频域内集中较大的功率。
这一特点使得半导体激光器在光通信领域具有重要的应用前景。
2. 高光输出功率：半导体激光器的光输出功率较高，在一定应用范围内能够满足大功率光源的需求。
这也使得半导体激光器在照明和激光加工等领域得到广泛应用。
3. 高能量转换效率：相对于其他类型的激光器，半导体激光器的能量转换效率较高。
这一特点使得半导体激光器在能源利用效率方面具有优势。
4. 尺寸小、重量轻：由于半导体激光器的结构简单，尺寸小、重量轻，因此便于集成和便携。
这也为其在手持设备和便携式仪器等领域的应用提供了更多可能性。
三、半导体激光器的应用1. 光通信：半导体激光器具有较高的调制速度和窄的发射谱线宽度，使其在光通信系统中得到广泛应用。
目前，大部分的光通信系统都采用半导体激光器作为光源。
2. 医学：半导体激光器在医学领域有着广泛的应用，如激光治疗、激光手术和皮肤美容等。
半导体激光器的小尺寸和高功率输出使其成为医学器械领域的理想选择。
3. 照明：半导体激光器在照明领域的应用越来越受到关注。
相较于传统照明设备，半导体激光器具有较高的能量转换效率和较长的寿命，能够提供更加稳定和均匀的照明效果。
4. 激光显示：半导体激光器也被应用于激光显示技术中。
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E3
E4
E2
E3
E2
E1
h E2 E1
h E3 E2
E1
三能级系统
红宝石激光器
四能级系统
铷玻璃激光器
2、激励源：用来实现和维持粒子数反转。有电激 励，光激励，热激励，化学激励等
激励--从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态 跃迁到高能态能级以实现粒子数反转 的过程（又称“激发”、“抽运” 或 “泵浦”）。
1961年8月，我国第一台红宝石激光器在长春光机所研制 成功 1987年6月，大功率脉冲激光系统-神光装置，在上海光 （学精密）机（械研究）所研制成功
普罗霍罗夫
巴索夫
汤斯
1964年诺贝尔物理学奖一半授予美国马萨诸塞州坎布里奇的 麻省理工学院的汤斯（Charles H．Townes， 1915一），另 一半授予苏联莫斯科苏联科学院列别捷夫物理研究所的巴索 夫（Nikolny G．Basov，1922一）和普罗霍罗夫（ Aleksandr M． Prokhorov， 1916－－），以表彰他们从事量子电子学 方面的基础工作，这些工作导致了基于微波激射器和激光原 理制成的振荡器和放大器。
S 光源
E
3
r
S
E I tS
1mW He--Ne激光器 大功率激光器
太阳
= S /r2
2 1
I 2 10 Wcm sr I 88 103Wcm 2 sr 1 9 17 2 1 I 10 10 Wcm sr
P=1mW的氦-氖激光器的亮度约是太阳光的44倍
与外来光子频率 相同、相位相同、 偏振方向和传播 方向相同。
受激辐射光子
特点： 受激辐射产生的光子与入射光子是完全相干的； 受激辐射中，光子成倍增长，产生了光放大。
激光的产生过程
激光是受激辐射的光，但实际中还存在自发辐射 和吸收， 且粒子数正常分布是：N exp( E / kT )
能 E4 量E
一、激光的产生原理
1、普通光源发光-受激吸收和自发辐射
1）受激吸收
（简称“吸收”）
E2 处在低能级E1的原子受到 h E1
等 于E2-E1的外来能量时， 吸收这一能量跃迁到高能级的 过程。
2)自发辐射
处在高能级（E2）的原子，即使没有任何外界 的激励，总是自发地跃迁到低能级（E1），并 且发射一个频率为，能量h=E2-E1的光子的过 程。
4
又如单色性最好的氪灯，其中心波长6057埃 波长范围： 波长范围：
4.7 10 A
原理图
工作原理： 全 反 射 镜
激光工作物质
半 反 射 镜
out 光放大原理
小结: 激光器的三个主要组成部分
1.工作物质： 有合适的能级结构 能实现粒子数反转 谐振腔
2.激励能源：
使原子激发 维持粒子数反转 3.光学谐振腔： 保证光放大 使激光有良好的方向性和单色性
工作物质
激励系统
四、激光器的种类
3
N2 exp{( E 2 E1 ) / kT} N1
粒子数反转状态
E2 E1
E2 E1
为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成粒子数 反转的状态。
பைடு நூலகம்
3、粒子数反转：产生激光的必要条件
怎样才能实现粒子数反转呢？ 粒子数反转状态 1）提供足够的能量； 2）原子在激发态多“呆” 一会； 3）减小损失，不断放 大。
自发辐射的光是非相干光 E3
E2 E1
E2 E1 h
2、受激发射和光的放大 受激辐射：（1917年爱因斯坦提出）
处在高能级上（E2）的原子，受到能量恰为h=E2-E1 的外来光子的激励（或诱发，或剌激）从而跃迁到低能级 E1，并发射一个与外来光子“一模一样”的光子的过程。
E2 E1 外来光子
E2 E1
二、 激光简史和我国的激光技术
1917年，爱因斯坦提出受激辐射
1958年，汤斯和肖洛发表《红外与光学激射器》， 巴索夫和普罗霍罗夫发表《实现三能级粒子数反 转和半导体激光器建议》
1959年，汤斯提出制造红宝石激光器的建议 1960年，加州休斯实验室的梅曼制成了第一台红 宝石激光器 1964年，汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫分享诺贝尔物 理学奖
1、固体激光器：器件小、坚固、使用方便、输出功率大
2、气体激光器：结构简单、造价低，操作方便，
介质均匀光束质量好且能长时间稳定工作
He-Ne激光器简介：最早(1961)制成且应用最广泛。
激光波长为632.8纳米(氖原子发出)，采用电激励。
高压电源使气体放电，氦激发，能量传递给氖，四
能级系统
3、 液体激光器：输出波长连续可调，覆盖面宽 4、半导体激光器：体积、质量小，寿命长，结构简单而 坚固
3）单色性好
激光所包含的波长或频率范围极小 可使一切金属熔化 一束普通的红光 频率范围： 可使一切非金属化为一缕青烟 3.9 1014 4.7 1014 Hz 0.8 1014 Hz
6328埃的He--Ne激光（中心频率 4.74 10 Hz ) Laser
14
2 10 Hz（理论值，实际几赫兹）
1）光泵抽运 如红宝石激光器
粒子数反转状态
E2 E1
红宝石激光器的示意图
2）电子碰撞 如氩离子激光器 3）化学反应
-
电子 -
如氟化氘激光器等。 4）共振转移
如He--Ne激光器 。
He
-
Ne
Ne
He
-
-
3、光学谐振腔
要有一个能使受激辐射和光放大过程持续的构造：
全反 射镜
实物图 半反 射镜 激光工作物质
三、激光器的结构
1、工作介质：产生激光的原子系统或可以实现粒子数反 转的气体、液体或固体 所谓能级合适是指存在“亚稳态能级”，即存在激 发态寿命=10-3秒左右的能级（一般原子系统的 激发态寿命只有10-8秒）
E3
能 量
激 发
E2
E1
亚稳态能级
产生激光的能级系统（例） （1）三能级系统 （2）四能级系统
五.激光的特性及应用
（一）、激光的主要特性
1、方向性好---激光的发散角小。
l
r
r =2~5mrad（毫弧度） l (1km时光斑直径10m)
激光器
He--Ne激光经纬仪 测月红宝石激光器
Laser
=0.031mrad
=410-5mrad
D=1.6km
2 、亮度高、能量集中
光源亮度--单位面积、单位时间在垂直于光源 表面的单位立体角内发射的能量。 立体角定义：