半导体激光器工作原理及基本结构
半导体激光器工作原理及基本结构
工作三要素：
01
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
02
半导体激光器工作原理
02
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫做受激光辐射。
条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激光器(普通条形)和折射率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。
”
增益波导条形激光器 (普通条形)
特点：只对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散有限制作用，对光波侧向渗透没有限制作用。 我们的808大功率激光器属于这种结构：把p+重掺杂层光刻成条形，限制电流从条形部分流入。但是在有源区的侧向仍是相同的材料，折射率是一样的，对光场的侧向渗透没有限制作用，造成远场双峰或多峰、光斑不均匀，同时阈值高、光谱宽、多纵摸工作，有时会出现扭折问题。
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
采用MOCVD方法制备外延层，外延层包括缓冲层、限制层、有源层、顶层、帽层。有源层包括上下波导层和量子阱。
有源层的带隙比P型和N型限制层的小，折射率比它们大，因此由P面和N面注入的空穴和电子会限制在有源区中，它们复合产生的光波又能有效地限制在波导层中。大大提高了辐射效率。
最上面的一层材料（帽层）采用高掺杂，载流子浓度高，目的是为了与P面金属电极形成更好的欧姆接触，降低欧姆体激光器器件制备
大片工艺包括：材料顶层光刻腐蚀出条形、氧化层制备光刻、P面和N面电极制备、衬底减薄。 条形结构：在平行于结平面方向上也希望同垂直方向一样对载流子和光波进行限制，因此引进了条形结构。 条形结构的优点： 1. 使注入电流限制在条形有源区内，限制载流子的侧向扩散， 使 阈值电流降低； 2. 有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传递而逸散，提高器件的散热性能； 3. 有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性； 4. 器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。
半导体激光器工作原理
半导体激光器工作原理首先，半导体激光器中的激活载流子通过注入电流的方式得以激活。
半导体材料通常是由n型和p型半导体组成的p-n结。
当外加正向偏压时，n型半导体中的自由电子将从导带跃迁到p型半导体中的空穴，形成激活载流子。
激活载流子存在于活性层或量子阱中，这是激光器的主要部件。
接下来，需要形成反射反馈来实现光放大。
在半导体激光器中，常常使用镜面和光栅等光学元件来实现反射反馈。
其中，光栅通常被用于频率稳定的激光器，镜面则常用于多模激光器和低成本的边界模激光器。
这些反射反馈会引导光信号在激活载流子的周围多次传输，并逐渐增加光子的数目。
然后，激活载流子引起的光信号在增加光子数目的过程中被光增益介质放大。
半导体激光器中的活性层或量子阱具有较高的光增益，因此能够对穿过的光信号进行放大。
在这个过程中，激活载流子释放出能量，使周围的光子激发更多的激活载流子，这样就形成了光放大的正反馈过程。
最后，在反射反馈和光增益的作用下，激光器中产生了激光输出。
当光信号在活性层或量子阱中传播时，由于反射反馈和光增益的影响，其能量逐渐增加。
当达到激光输出阈值时，产生了相干的激光，从激光器的输出端口射出。
需要注意的是，半导体激光器的一些特殊结构可以实现单模或多模激光输出。
例如，具有窄量子井和窄带隙的阱层等结构可以实现单模输出；而具有宽阱层和厚量子井的结构则有助于实现多模输出。
总的来说，半导体激光器的工作原理涉及激活载流子、形成反射反馈、实现光放大和产生激光输出等过程。
通过这些步骤，半导体激光器能够高效地将电能转化为激光能，并广泛应用于各个领域。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理激光技术在现代科学和工业中起着至关重要的作用，而半导体激光器是其中一种常用的激光器类型。
它通过半导体材料的特殊性质来产生激光光束。
本文将详细介绍半导体激光器的工作原理。
一、激光的基本原理要了解半导体激光器的工作原理，首先需要了解激光的基本原理。
激光是一种特殊的光，与普通的自然光有很大区别。
激光光束具有相干性、单色性和聚焦性等特点，这些特征使得激光在各个领域有广泛的应用。
激光的产生是通过光子的受激辐射过程实现的。
在光学腔中，光子通过与激发状态的原子或分子发生相互作用，被吸收并获得能量。
然后，这些激发的原子或分子会受到外界刺激，由高能级跃迁到低能级，释放出原子或分子的“多余”能量。
这些能量会以光子的形式，经过光放大器的反射和反射，最后通过激光器的输出窗口发出。
这样就形成了一束特殊的激光光束。
二、半导体激光器的结构半导体激光器是利用半导体材料的特性来产生激光的器件。
它的主要结构由正、负型半导体材料组成，通常是p型和n型半导体，中间夹层为n型材料。
具体来说，半导体激光器一般由以下几个关键部分构成：1. 激活层（active layer）：激活层是半导体激光器的核心部分，也是激光的产生和放大的地方。
它由两种半导体材料之间的异质结构构成，通常是由n型和p型材料组成。
当外加电流通过激活层时，会在激活层中产生载流子（电子和空穴）。
2. 波导层（waveguide layer）：波导层是指导激光光束传播的部分，其材料的折射率通常比周围材料低。
通过选择合适的波导层结构，可以实现激光束的单模（TEM00）输出。
3. 管腔（cavity）：管腔是激光器中的一个重要元件，它由两个高反射率镜片构成，将光线限制在波导层中，形成光学腔。
其中一个是部分透射的输出镜，另一个是全反射的输出镜。
管腔的长度决定了激光的波长。
4. 电极（electrodes）：电极主要用于施加电场，控制激光器的开启和关闭。
它们通常位于激光器的两端，通过外接电源提供正向或反向偏置电压。
《激光原理》5-4半导体激光器
图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
③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，价带中出现空穴——P型简并半导体 (图c);
④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);
满带：若能带中各个能级全部被电子填满，则称为满带。 非满带：若能带中只有一部分能级填入电子，则称为非满带。 空带：若能带中各个能级都没有电子填充，则称为空带。 价带：价电子的能级所分裂而形成的能带称为价带。 导带：空带和未被价电子填满的价带称为导带。
二、绝缘体、导体和半导体
1、绝缘体
导带（空带）
能带的特征：（1）只有满带和空带；（2）满 带和空带之间有较宽的禁带，禁带宽度一般大 于3eV。（约3～6 eV）
Si Si Si Si
Si Si
+ B
Si
N型半导体（电子型）：
四价元素Si，Ge，掺五价元 素P，Sb，Td
导带 施主能级
价带
五价原子将在代替四价元素的原子，多出的一个价电子只在杂质离子的电场
范围内运动。杂质原子称为施主原子，相应的杂质能级称为施主能级。量子
力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处, 极易形成电子
对于重掺杂的 GaAs P－N 结，在P－N 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。
激光器产生激光的三个基本结构
激光器产生激光的三个基本结构一、引言激光器是一种能够产生单色、高亮度、几乎无散射的光束的装置，广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
激光器的基本结构有三种，分别是气体激光器、固体激光器和半导体激光器。
本文将详细介绍这三种激光器的基本结构及其工作原理。
二、气体激光器1. 气体激光器的基本结构气体激光器由放电管和反射镜组成。
放电管是一个密闭的玻璃管，内部填有稀薄气体（如氦氖气），两端分别安装有高压电极和低压电极。
反射镜则是由两个平面镜或球面镜组成，其中一个反射镜具有一定透过率。
2. 气体激光器的工作原理当高压电极加上高电压时，放电管内的气体被电离，形成等离子体。
等离子体中的自由电子通过碰撞使得氦原子发生受激辐射，产生激光。
激光在反射镜间来回反射，形成一个稳定的激光束。
3. 气体激光器的应用气体激光器广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
其中，二氧化碳激光器被广泛应用于工业加工领域，如切割、焊接和打孔等。
三、固体激光器1. 固体激光器的基本结构固体激光器由放电管和固态材料组成。
固态材料通常是掺有特定元素（如钕）的晶体或玻璃材料。
放电管则是一个密闭的腔体，内部填有闪烁物质（如氙气），两端分别安装有高压电极和低压电极。
2. 固体激光器的工作原理当高压电极加上高电压时，放电管内的闪烁物质被电离，形成等离子体。
等离子体中的自由电子通过碰撞使得掺杂元素发生受激辐射，产生激光。
激光在固态材料中来回反射，形成一个稳定的激光束。
3. 固体激光器的应用固体激光器广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
其中，钕掺杂的固态激光器被广泛应用于医疗领域，如眼科手术和皮肤美容等。
四、半导体激光器1. 半导体激光器的基本结构半导体激光器由PN结和反射镜组成。
PN结是由P型半导体和N型半导体组合而成的结构，反射镜则是由两个端面反射镜组成。
2. 半导体激光器的工作原理当PN结加上正向电压时，电子从N型区域流向P型区域，与空穴复合产生辐射能量，产生激光。
半导体激光器发光原理及工作原理
半导体激光器发光原理及工作原理激光器是一种将电能转化为光能的装置，它利用特定的材料和结构来产生高度单色、高亮度、高方向性的激光光束。
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光器，具有体积小、功耗低、效率高等优点，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
一、半导体激光器的发光原理半导体激光器的发光原理基于半导体材料的特性。
半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其导电性能可以通过控制材料的掺杂来调节。
在半导体材料中，存在着两种不同类型的载流子：电子和空穴。
当半导体材料中的电子和空穴结合时，会发生复合作用，产生能量。
半导体激光器的发光原理主要包括以下几个步骤：1. 注入载流子：通过电流注入的方式，在半导体材料中注入电子和空穴，形成电子空穴对。
2. 电子空穴对复合：注入的电子和空穴在半导体材料中发生复合作用，释放出能量。
3. 能量释放：复合过程中释放出的能量以光子的形式释放出来，形成光子流。
4. 光子放大：光子流在激光器的结构中被反射和放大，形成一束强度和相位高度一致的激光光束。
二、半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理基于激光的反射和放大效应。
在激光器的结构中，通常包括两个半导体材料之间的p-n结和一个光学腔。
1. p-n结：半导体激光器的结构中包括一个p型半导体和一个n型半导体之间的p-n结。
在p-n结的两侧，分别注入正电荷和负电荷，形成电子空穴对。
在p-n 结的界面上，由于能带结构的差异，电子和空穴会发生扩散，形成一个耗尽层。
2. 光学腔：光学腔是激光器中的一个空间结构，用于反射和放大光子。
光学腔通常由两个反射镜构成，其中一个反射镜是部分透明的，用于输出激光光束。
3. 光子反射和放大：在半导体激光器中，光子在光学腔中来回反射，同时经过电子空穴对复合释放出的能量进行放大。
由于其中一个反射镜是部分透明的，一部分光子会通过该反射镜逸出，形成激光输出。
通过以上的工作原理，半导体激光器能够产生一束高度单色、高亮度、高方向性的激光光束。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理半导体激光器是一种能够产生高亮度、高能量密度激光的器件，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
它的工作原理主要基于半导体材料的特性和光学放大过程。
在半导体激光器中，激光的产生是通过电子和空穴在半导体材料中的复合辐射而实现的。
首先，我们来看一下半导体材料的特性。
半导体材料通常是由硅、锗、砷化镓等元素构成的化合物，它具有介于导体和绝缘体之间的导电特性。
在半导体中，电子能带分为价带和导带，当外加电场或光照射作用下，电子可以从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
这种电子和空穴的复合过程会产生光子，即激光的基本构成单元。
其次，半导体激光器中的光学放大过程是激光产生的关键。
当半导体材料处于激发状态时，即有足够多的电子和空穴对被激发到导带和价带中，此时在激光器中形成了一个光学增益介质。
当外加电场或光场作用下，这个增益介质会放大入射的光信号，从而产生激光。
在半导体激光器中，通常采用的结构是p-n结构。
p-n结构是由p型半导体和n型半导体组成的，它们通过p-n结界面形成一个内建电场。
当外加电压施加到p-n结上时，内建电场会将电子和空穴分离，形成电子空穴复合区。
在这个区域内，电子和空穴会发生辐射复合，产生光子，从而实现激光的产生。
除了p-n结构，还有其他类型的半导体激光器，比如量子阱激光器、垂直腔面发射激光器等。
这些激光器利用了量子效应和光学共振结构来增强光学放大效应，从而提高激光器的性能和稳定性。
总的来说，半导体激光器的工作原理是基于半导体材料的特性和光学放大过程。
通过精心设计的结构和工艺，半导体激光器可以产生稳定、高能量密度的激光，为各种应用提供了强大的光源。
随着半导体材料和工艺的不断进步，半导体激光器将在更多领域展现出其巨大的潜力和应用前景。
半导体激光器工作原理及基本结构
半导体激光器工作原理及基本结构半导体材料的带隙能级结构：半导体材料有一种特殊的能带结构，即价带和导带之间的能带隙。
在室温下，绝大多数的电子都位于价带中，而导带中的电子很少。
当半导体材料被外加能量（如电子或光子）激发时，部分价带中的电子可以跃迁到导带中，形成电子空穴对（即一个自由电子和一个电子准正空穴）。
基本结构：1.活性层：活性层是半导体激光器中的关键组成部分，由两种不同的半导体材料组成，通常是p型半导体和n型半导体。
活性层的主要作用是在激发能量下产生电子空穴对。
2.限制层：限制层位于活性层的两侧，通过选择性的掺杂和选用合适的材料，限制层能够限定和增强光场在活性层中的传播。
3.p型区和n型区：p型区和n型区分别为半导体激光器提供正负载流子。
其中p型区富含准正空穴，n型区富含自由电子。
这种介质结构导致了在活性层中形成电子与准正空穴的往复跃迁。
工作原理：1.连续工作模式：（1）原始激发：在激光器的活性层中，通过电流或光激励，会使得电子和准正空穴对被激发到导带和价带之间，产生电子空穴对。
（2）产生反映：电子和准正空穴对在原地跃迁，产生辐射效应。
由于受到限制层的调控，只有在活性层的中央区域产生的光才能被放大。
（3）光放大：放大的光通过反射和吸收来回往复传播，不断增强。
当光子数目经过数次放大后超过临界值，就会发生光放大。
（4）光输出：当光子数目增加到一定程度时，会反射出一部分光线，形成输出激光。
2.脉冲工作模式：与连续工作模式相比，脉冲工作模式中，外加的激发电流或光脉冲的时间和强度较短，产生的激光输出也更为短暂和高强度。
脉冲工作模式在通信、医疗和材料加工等领域有广泛应用。
总结：半导体激光器利用半导体材料的带隙能级结构和电子之间的跃迁来产生激光。
其基本结构由活性层、限制层、p型区和n型区组成。
在连续工作模式中，通过激励产生电子空穴对，在活性层中逐渐放大并输出激光。
在脉冲工作模式中，产生的激发脉冲时间短暂，输出的激光也对应短暂和高强度的脉冲。
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可见光：
GaAs衬底
InGaN/ GaAs 480~490nm 蓝绿光
InGaAlP/GaAs 630~680nm
AlGaAs/GaAs 720~760nm
近红外长波长： GaAs衬底 AlGaAs/GaAs 760~900nm InGaAs/GaAs 980nm
远红外长波长： InP衬底
受激光辐射（半导体激光器）
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严 格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫 做受激光辐射。
法布里-珀罗谐振腔 (形成相干光)
垂直于结面的两个平行的晶体解理面形成法布里-珀罗 谐振腔 ，两个解理面是谐振腔的反射镜面。在两个端 面上分别镀上高反膜和增透膜，可以提高激射效率。
半导体激光器的应用
• 在产业技术上的应用：
1. 光纤通信。光纤通信已经成为当代通信技术的主流。半导体激 光器是光纤通信系统的唯一实用化的光源； 2. 光盘存取。半导体激光器已经用于光盘存储器，其最大优点就 是存储信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘存储密度； 3. 光谱分析。远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析， 监测大气污染、汽车尾气等； 4. 光信息处理。半导体激光器已用于光信息处理系统。表面发射 半导体激光器，二维列阵是光并行处理系统的理想光源，可用于 光计算和光神经网络。 5. 激光微细加工。借助于Q开关产生的高能量超短光脉冲，对集 成电路进行切割、打孔等。
半导体激光器工作原理及结构
注入式半导体激光器 是一种在电流注入下能够发出相干辐射光（相位相同、
波长基本相同、强度较大）的光电子器件。。
半导体激光器工作原理
工作三要素：
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
自发光辐射和受激光辐射
自发光辐射（发光二极管）
当给器件加正向偏压时，n区向p区注入电子，p区向n区注入空 穴，在激活区电子和空穴自发地复合形成电子-空穴对，将多余 的能量以光子的形式释放出来，所发射的光子相位和方向各不相 同，这种辐射叫做自发辐射。
半导体激光器的应用
• 在产业技术上的应用：
6. 激光报警器。半导体光报警器的用途甚广，包括防 盗窃报警、水位报警、车距报警等； 7. 激光打印机。高功率半导体激光器已经用于激光灯 打印机，采用蓝、绿激光能够大大提高打印速度和分 辨率； 8. 激光条码扫描器。激光条码扫描器已广泛用于商品 的销售以及图书和档案的管理。
一定波长的受激光辐射在谐振腔内形成振荡的条件: 腔长=半波长的整数倍 L=m(λ/2n)
增益和阈值电流
增益：在注入电流的作用下，激活区受激辐射不断增 强。
损耗：受激辐射在谐振腔中来回反射时的能量损耗。 包括载流子吸收、缺陷散射及端面透射损耗等。
阈值电流：增益等于损耗时的注入电流。
半导体激光器的分类（材料和波究方面应用：
1. 激光手术治疗。半导体激光已经用于软组织切除， 组织接合、凝固和气化。普通外科、整形外科、皮肤 科、泌尿科、妇产科等； 2. 激光动力学治疗。将对肿瘤有亲合性的光敏物质有 选择的聚集于癌组织内，通过半导体激光照射使癌组 织产生活性氧，旨在使其坏死而对健康组织毫无损害； 3. 生命科学研究。使用半导体激光的“光镊”，可以 捕捉活细胞或染色体并移至任意位置，已经用于促进 细胞合成、细胞相互作用等研究。
InGaAsP/InP 1.3um 1.48um 1.55um
输出激光可以是连续的(CW)、准连续(QCW)的和脉冲(Pulse)的。
半导体激光器的应用
随着科学技术的发展，目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平， 而且光束质量也有很大提高，因此半导体激光器的应用范围日益扩大， 不仅可以作为光纤通信的光源和指示器，以及通过大规模集成电路平面 工艺组成光电子系统;目前已经扩展到下列应用范围:固体激光器的泵浦、 打印、激光医学治疗和卫星通讯等。由于半导体激光器可以通过改变磁 场或调节电流(热效应)实现波长调谐，且已经可以获得线宽很窄的激光 输出，因此利用半导体激光器可以进行高分辨光谱研究。此外，现在波 长633~635nm的半导体激光器的品种不少，有的质量很好，有可能代替 现有的He-Ne激光器，它可以与打印机、复印机的光导数的光谱性能更 好地匹配，从而促进激光打印机和静电复印机的发展，如果采用适当的 光学系统，进一步改善激光器的光束质量，也有可能使半导体激光器进 入精密计量测试。例如用半导体激光器构成激光干涉仪，例用它的频率 调制特性，可以不用异轨也不数大量干涉条纹就能测量出光程差，从而 可以求出几何长度。总之，半导体激光器随着它本身质量和性能指标提 高，它的应用前景必然是越来越广阔。
半导体、固体激光器
半导体、固体激光器
工作原理及基本结构 器件分类（主要参数） 应用
半导体激光器工作原理及结构
半导体激光器按泵浦方式不同，可以分为注入式激光器、光泵激 光器和电子束泵浦激光器。其中注入式激光器是利用同质结构或 异质结将大量的过剩载流子(电子一空穴对)注入激活区以形成集 居数反转。这类激光器由于容易实现电流直接调制输出，因此它 是目前使用最为广泛的一种半导体激光器，所以接下来我们来着 重介绍一下注入式半导体激光器的工作原理。
固体激光器基本原理及基本结构
半导体激光器的应用
• 在军事上的应用：
1. 激光引信。半导体激光器是唯一能够用于弹上引信的激光器。 激光近炸引信能够准确的确定起爆点，并有很好的电磁干扰能力， 已在多种导弹和炸弹上使用； 2. 激光制导。它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标； 3. 激光测距。主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域； 4. 激光雷达。高功率半导体激光器已用于激光雷达系统。小型激 光雷达已用于常规兵器的自动目标识别和瞄准修正系统、机器人 视觉系统和自主飞行器控制系统。 5. 激光模拟。这是半导体激光器用于军事训练和学习的技术，通 过调节射束的方位来模拟任何武器特征的目的，已经成功的模拟 了步枪、火炮等。