半导体激光器
半导体激光工作原理
半导体激光工作原理
半导体激光器是利用电子从低能级跃迁到高能级时所产生的光，由于高能级的电子数比低能级的多得多，因此光在自由电子激光中辐射的能量是很大的。
半导体激光器主要由激光器、增益介质和泵浦光源组成。
半导体激光器的增益介质主要有三种：有源区、波导、吸收腔。
其中以有源区为主要部分，其形状和材料各不相同。
激光器有源区是由金属原子构成的半导体，它是激光系统中唯一能把光能转变成机械能和化学能的部分，也是影响激光特性的重要因素之一。
有源区还起着将泵浦光源发射出来的光（指激光器内部发射出来的光）与增益介质中传输过来的光（指增益介质发射出来的光）相互耦合、吸收和转换，再由有源区发射出来的光辐射出激光器内部。
由于有源区在整个半导体激光器中起着非常重要作用，因此在选择激光器有源区时必须考虑有源区和有源区内材料的成分、尺寸和形状，使它们相互匹配，这样才能达到最佳性能。
增益介质又叫受激辐射层或吸收层。
—— 1 —1 —。
半导体激光器 原理
半导体激光器原理
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光发射装置。
它通过电流注入半导体材料中的活性层，使其产生载流子（电子和空穴）重组的过程中释放出光子。
以下是半导体激光器的基本原理：
1. P-N结构：半导体激光器通常采用P-N结构，其中P区域富含正电荷，N区域富含负电荷。
2. 电流注入：当电流从P区域注入到N区域时，电子和空穴
会在活性层中重组，形成激子（激发态）。
3. 激子衰减：激子会因为与晶格的相互作用而损失能量，进而衰减为基态激子。
4. 辐射复合：基态激子最终与活性层中的空穴重新结合，释放出光子。
这个过程称为辐射复合。
5. 光放大：光子通过多次反射在激光腔中来回传播，与活性层中的激子相互作用，不断放大。
6. 反射镜：激光腔两端分别放置高反射镜和透明窗口，高反射镜可以增加内部光子的反射使其在腔内传播，透明窗口允许激光通过。
7. 激光输出：当达到一定放大程度时，激光在透明窗口处逃逸，形成激光输出。
通过控制电流注入和激光腔的结构设计，可以调节半导体激光器的发射波长、功率等参数，以满足不同应用领域的要求。
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。
常见半导体激光器
常见半导体激光器
半导体激光器是一种利用半导体材料制造的光电子器件。
它在许多应用领域都有广泛的应用，如制造光通信设备、光存储设备、光学传感器和医疗设备等。
常见的半导体激光器有以下几种：
1. 激光二极管（LD）：是一种小型、高效的激光器。
它的工作原理是在有源区域中注入电流，通过特殊的发光机构来实现激光放大和反馈，可以用于制造光纤通信设备和光存储设备等。
2. 垂直腔面发射激光器（VCSEL）：是一种特殊的激光器，可以
实现垂直方向的激光输出，被广泛应用于光通信和光存储设备等领域。
3. 泵浦激光器：它是一种用于将固体激光器和光纤激光器等其
它类型激光器泵浦的激光器。
常用于制造高功率激光器，如工业制造和医疗设备中的激光切割设备。
4. 外腔半导体激光器（ECL）：它是一种通过将外腔加入到半导
体激光器中来控制输出光谱和波长的激光器，被广泛应用于光通信和光存储设备等领域。
5. 量子级联激光器（QCL）：它是一种新型的半导体激光器，具
有高效率、高功率和低阈值等优点，被广泛应用于红外光谱学和空间探测等领域。
以上是几种常见的半导体激光器，它们在不同的领域都有其独特的应用价值。
随着科技的不断发展，半导体激光器的应用前景将越来越广阔。
半导体激光器特点
半导体激光器特点
半导体激光器（Also known as semiconductor laser）是一种基于半导体材料工作的激光器。
它具有以下特点：
1. 小型化：半导体激光器的体积小，重量轻，可以方便地集成在各种设备中，如光纤通信、激光打印机、激光读写光驱等。
2. 高效率：半导体激光器的电-光转换效率高，能将输入的电能高效地转化为光能，相对于其他类型的激光器有更低的功耗和更高的功率输出。
3. 长寿命：半导体激光器具有较长的工作寿命，能够持续稳定地工作数千小时甚至更长时间。
4. 快速响应：半导体激光器的开关速度较快，可以在纳秒级别进行调制和调制解调，适用于高速光通信和光存储等领域。
5. 容易调谐：半导体激光器具有较宽的工作波长范围，通过改变电流、温度和施加外界的光学调制，可以实现对激光波长的调谐。
6. 相干性：半导体激光器的输出是相干光，光束质量高，光束模式稳定，光学特性优异。
7. 低成本：由于半导体激光器制造工艺成熟，成本较低，容易大规模生产，因此价格相对较低。
总的来说，半导体激光器的小型化、高效率、长寿命和容易调谐等特点，使其成为广泛应用于通信、医疗、材料加工、生物科学等领域的重要激光器。
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半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
本文将介绍半导体激光器的发光原理和工作原理。
一、半导体激光器的发光原理1.1 激发态电子跃迁：半导体激光器的发光原理是利用半导体材料中的电子和空穴的复合辐射产生激光。
当电子和空穴在PN结区域复合时，会发生能级跃迁，释放出光子。
1.2 光放大过程：在半导体材料中，光子会被吸收并激发更多的电子跃迁，形成光放大过程。
这种过程会导致光子数目的指数增长，最终形成激光。
1.3 反射反馈：半导体激光器内部通常设置有反射镜，用于反射激光，使其在器件内部多次反射，增强激光的光程和功率，最终形成高亮度的激光输出。
二、半导体激光器的工作原理2.1 电流注入：半导体激光器的工作需要通过电流注入来激发电子和空穴的复合。
电流通过PN结区域，形成电子和空穴的复合辐射。
2.2 光放大：在电流注入的情况下，光子会被吸收并激发更多的电子跃迁，形成光放大过程。
这会导致激光的产生和输出。
2.3 温度控制：半导体激光器的工作过程中会产生热量，需要进行有效的温度控制，以确保器件的稳定性和寿命。
通常会采用温控器等设备进行温度管理。
三、半导体激光器的特点3.1 尺寸小：半导体激光器采用微型化设计，尺寸小巧，适合集成在各种设备中。
3.2 高效率：半导体激光器具有高效的能量转换率，能够将电能转换为光能，功耗低。
3.3 快速调制：半导体激光器响应速度快，能够实现快速调制和调节，适用于高速通信和数据传输领域。
四、半导体激光器的应用领域4.1 通信：半导体激光器广泛应用于光通信系统中，用于光纤通信和无线通信的光源。
4.2 医疗：半导体激光器在医疗领域中用于激光手术、激光治疗等，具有精准、无创的特点。
4.3 材料加工：半导体激光器可用于材料切割、打标、焊接等加工领域，具有高精度和高效率的优势。
五、半导体激光器的发展趋势5.1 高功率：未来半导体激光器将朝着高功率、高亮度的方向发展，以满足更多领域的需求。
半导体激光器的原理
半导体激光器的原理
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光发射器件，它利用半导体材料的特殊性质，通过有源区的电子与空穴复合放出能量，并通过反馈机制实现激光放大，最终产生高度定向、单色、高亮度的激光光束。
半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高、寿命长等优点，广泛应用于通信、医疗、激光显示、光存储等领域。
1.载流子注入：半导体材料中，通过向有源区施加正向电流，将电子从N型区注入到P型区，同时也将空穴从P型区注入到N型区。
这样，在P-N结附近的区域形成了一个载流子密度梯度，使电子和空穴在这个区域中保持对流运动。
2.电流与光的转换：在载流子注入过程中，由于电子和空穴在有源区发生复合，使得已被注入的能量以光子的形式释放出来。
这个释放过程是一个自发辐射过程，即电子和空穴转变为更低能级的状态，并以光子的形式释放出能量。
3.光放大：通过在有源区搭建一个光学谐振腔，即在有源区两端分别加上高反射率和低反射率的镜片，可以实现光的反复放大。
光子在谐振腔内来回反射，与有源区的载流子发生相互作用，使得激光得以不断放大。
4.光反馈：为了增强激光放大效果，通常还需要在谐振腔之外加入一个光学元件，如光纤光栅或光栅耦合镜，用于反馈一部分放大的光。
这种反馈机制可以抑制非激光模式的增长，只放大所需的激光模式，从而增加光的一致性和亮度。
总结起来，半导体激光器的原理可以概括为：通过正向电流使电子和空穴注入有源区，在注入的过程中电子和空穴发生复合，释放能量以光子
的形式；通过谐振腔和光反馈机制，实现激光的放大和增强。
这样，半导体激光器就能产生高亮度、高单色性和高定向性的激光束，具有广泛的应用前景。
第6章 半导体激光器讲解
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，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。
中心波长：在激光器发出的光谱中，连接50％ 最大幅度值线段的中点所对应的波长。
830 828
I=100mA Po=10mW
832 830 828
I=85mA Po=6mW
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构
半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子 数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈， 实现光放大而产生激光振荡的。
光受激辐射、发出激光必须具备三个要素：
1、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；
2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；
3、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大， 发出激光。
图 3.6 DH (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV) h f =Eg
式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，
c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
生的自发辐射光作为入射光。
产生稳定振荡的条件（相位条件）
2L m / n
m 纵模模数，n 激光媒质的折射率
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p
E
c
hf
p
Ef
p
Ev
n
E
c
n
hf
Ef
n
Ev
内部电场
外加电场
电子，
空穴
正向偏压下P-N结能带图
获得粒子数反转分布结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加 电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方 向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动， 最后在PN结形成一个特殊的增益区。
内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的 Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图 3.3(b)。
P区
能量
p
E
c
P区
p
E
v
内部电场
PN 结空 间电 荷区
扩散 漂移
N区
n
E
c
（a) P-N结内载流子运动；
势垒
E
f
N区
n
E
v
图 3.3 PN
(b) 零偏压时P-N结 的能带倾斜图
半导体激光器（Laser Diode 即LD）
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构 一、半导体激光器的工作原理
受激辐射和粒子数反转分布 PN结的能带和电子分布 激光振荡和光学谐振腔 二、半导体激光器基本结构 6.3.2 半导体激光器的主要特性 一、发射波长和光谱特性 二、激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性 四、 频率特性 五、 温度特性
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。
如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物 质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。
N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称 为粒子(电子)数反转分布。
问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?
DH激光器工作原理
由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空 穴和N层的电子注入有源层。
P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒， 注入到有源层的电子不可能扩散到P层。
同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1-0.3 μm的 有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就 可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。
导带
导带
价带
价带
正常分布
反转分布
产生激光的必要条件二：粒子数反转分布
产生粒子数反转的方法
• 注入载流子－半导体激光器 • 强光对激光物质进行照射－固体激光器 • 气体电离－气体激光器
2. PN
在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成
能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称
4. 半导体激光器基本结构
驱动电源
注入式 光子激励
电子束激励
工作物质
PN结（同质结） 异质结 单异质结
双异质结（DH）
谐振腔
解理面 布拉格反馈
分布反馈式DFB 分布布拉格反射式DBR
4.
1）、同质结（PN结）半导体激光器
最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、 P型和N型限制层构成，如下图所示。
E2
初态
E1
E2
hυ=E2-E1
E1
终态
(a) 自发辐射 光子的特点：非相干光
E2
hυ
E1
初态
E2
E1
终态
(b) 受激辐射 光子的特点：相干光
E2
hυ
E1
初态
E2
E1
终态
E2
E2
hυ
E1
终态
E1
初态
(b) 受激辐射
(c) 受激吸收
产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位
(1)自发辐射
在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会 自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐 射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图6－15(a)。
当系统处于热平衡状态时，
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，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。
为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差EcEv=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a)
(b)
(c)
图 3.2
(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
能量 Eg
导带
L= m 或 2nL
2n
m
式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，m=1, 2, 3 … 称为纵模模数。
在共振腔内沿腔轴方向形成的各种驻波称为谐振腔的纵模。 有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光 腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，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。
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
在热平衡状态下(a，) 能量为E的能级(b)被电子占据的概(c率) 为费米分
布
1
p(E)
1
E exp(
Ef
)
(3.3)
kT
式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能 级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。
在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。
4. 半导体激光器基本结构
3）、双异质结（DH）半导体激光器
图3.5是双异质结(DH)平面条形结构。
这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不 同的光波长。
结构中间有一层厚0.1-0.3 μm的窄带隙P型半导体，称为有 源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三 层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构 成法布里-珀罗(FP)谐振腔。
q
3
工作物质
EC
光 增 益 EV
产生激光的必要条件三：有光学谐振腔
3
激光振荡的产生 粒子数反转分布（必要条件)+ 激活物质置于光学谐振腔中，
对光的频率和方向进行选择 = 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(Fabry Perot, FP)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
LD的发光过程
• 注入电流，即注入载流子； • 在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少
数电子自发跃迁到价带，产生光子； • 1个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释
放出2个相干光子，持续这个过程，直到释放出 多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大； • 光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，LD开始工 作。
另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制 在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很 低，很小的散热体就可以在室温连续工作。
＋
P
(a)
Ga1－ xAlxAs
E
(b)
能 量
n 折
(c) 射 率
空穴
P GaAs
N
－
Ga1－ yAlyAs
电子
复合 异质 势垒
～ 5%
P (d) 光
一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图3.2(a)。
在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体，见图3.2(b)。
在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体，见图 3.2(c)。
在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流 子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场， 见 图3.3(a)。
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。
在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为
11
γth =α+
ln 2L R1R2
式中，γth 为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系 数，L为谐振腔的长度，R1，R2<1为两个反射镜的反射率
激光振荡的相位条件为
图 3.6 DH (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV) h f =Eg
式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，
c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
电流 金属接触
100μm
有源层
P型 N型 300μm
200μm 解理面
大面积半导体激光器
4. 1）、同质结半导体激光器
PN能带 所加的正向偏压必须满足
正向电压V时形成的双简并能带
结构
V EF EF Eg
e
e
PN结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作