第三章补充1半导体激光粒子数反转与光场分布
半导体激光器实现粒子数反转的条件
半导体激光器实现粒子数反转的条件一、概述半导体激光器作为现代光电子学中的重要组件，已经在通信、医疗、工业等领域得到了广泛的应用。
而半导体激光器中的粒子数反转现象是其实现激光放大和发射的关键过程。
本文将探讨半导体激光器实现粒子数反转的条件。
二、半导体激光器原理概述1. 电子激元：半导体激光器中，由于外界能量激发，使得电子和空穴在晶格中发生复合，释放出光子，形成电子激元。
2. 非平衡态构成：在半导体激光器工作时，需要维持一定程度的非平衡态，即电子和空穴浓度的差异，才能实现粒子数反转。
三、实现粒子数反转的条件1. 贵重能带填充：在半导体激光器中，需要通过外加电压或注入电子和空穴来使得导带和价带的粒子数发生反转，并形成电子激元。
2. 寿命延长：在激发电子和空穴形成电子激元后，需要尽量延长电子激元的寿命，以便产生相对稳定的非平衡态。
3. 半导体材料：选择合适的半导体材料，例如GaAs、InP等，具有较高的激子寿命和较小的能带宽度，有利于粒子数反转的实现。
4. 极低温度：降低半导体激光器的工作温度可以减少热激发效应，提高粒子数反转的效率。
5. 光泵浦: 采用光泵浦的方式激发半导体材料，可以提供更高的能量，促进粒子数反转的发生。
四、粒子数反转的应用1. 激光放大：通过粒子数反转，可以实现激光的放大效应，进而在通信、医疗等领域发挥重要作用。
2. 激光发射：粒子数反转是激光发射的基础，在激光器工作时，通过粒子数反转产生的光子得以放大和发射。
五、结论半导体激光器实现粒子数反转的条件是多方面的，包括能带填充、寿命延长、半导体材料选择、低温环境和光泵浦等。
粒子数反转是半导体激光器发挥作用的基本前提，其应用对现代光电子学领域具有重要意义。
希望本文对半导体激光器的粒子数反转过程有所启发，推动该领域的进一步研究和发展。
六、粒子数反转的影响因素除了前文提及的条件外，还有一些其他因素对半导体激光器实现粒子数反转也产生着重要的影响。
半导体激光器的工作原理及应用
半导体激光器的工作原理及应用摘要：半导体激光器产生激光的机理，即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。
由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。
从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。
关键词：受激辐射；光场；同质结；异质结；大功率半导体激光器The working principle of semiconductor lasers and applications ABSTRACT: The machanism of lasing by semiconductor laser,which requires set up specially designated reverse of beam of particles among energy stages,and appropriate optical syntonic coelenteronAs the specificity of structure from semiconductor and moving electrons.something interesting happens.On the one hand,the specific process in producing lase,on the other hand,the beam of light has unique advantages。
As the reasons above,we can easily found it all quartersof the society.From homojunction to heterojunction,from informatics to power,the advantages of laser are in evidence,the wide spectrum,the semiconductor open the epoch in the process of laser. Key worlds: stimulated radiation; optical field; homojunction; heterojunction; high-power semiconductor laser 0 前言半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。
大学物理华科大版激光和半导体
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3. 半导体的分类 （1）本征半导体 纯净的半导体，如硅、锗等。
半导体禁带宽度窄、在外场的作用下, 导带中的电子、满 带中的空穴都可参与导电。（本征导电性。见下图）
E
外场
ELeabharlann 导带满带20
（2）杂质半导体 * n 型半导体 当四价的元素中 掺 入少量五价元素时形成 n 型半导体。如：硅中 掺入磷杂质后，磷原子 在硅中形成局部能级位 于导带底附近（称为施 主能级）。 一般温度下，杂质的 价电子很容易 被激发跃迁 至导带，成为导电电子， 使导带中的电子浓度大大 增加。半导体成为以电子 导电为主的n 型半导体。
如氦氖激光器（氦氖按以下比例混合 He : Ne 4 : 1 10 : 1 ）
E2
亚稳态
' E3
' E2
亚稳态
6328A0
Ne 3
E1
He
' E1
布儒斯特窗
阳极
氦、氖气体
阴极
（2）谐振腔
反射镜 100%
反射镜 98%
*管内受激发射的光子，沿管轴来回反射、增强，凡传播 方向偏离管轴方向的逸出管外淘汰。 *反射镜镀有多层膜，适当选择其厚度，使所需波长得到 “相长干涉” 后，反射加强。
2
3. 产生激光的条件 （1）粒子数反转： 根据玻尔兹曼分布率
N
E Ae KT
( E , N )
要得到激光，就要使受激辐射占优势。因此，必须首 先使 高能态的粒子数大大超过低能态。——粒子数反转 为保证实现粒子数反转必须有: *激励能源（泵浦）——光、气体放电、化学、核能等。 *工作物质（激活物质）有合适的能级结构（亚稳态）
*精心设计管长，使所需频率的波形成驻波（两端为波）， 形成稳定的振荡得到加强。
粒子数反转分布
§8.1
ห้องสมุดไป่ตู้
原子发光的机理
自然界中存在光，必有发射器。原子和分子即为光的发射器。
一、玻尔的氢原子模型
单个电子：质量m， 带负电荷-e 原子核：质量m0，带电荷+Ze，Z 为原子序数 对于氢，Z=1 ● 电子和原子核之间的 静电吸引力：
n（主量子数）=1，2，3，…… （ 3）
（ 2）
2 r n2 4 2 me 2 zk
1 ze 2 2 En E p Ek m (k ) 2 r 4 2 2 4 4 me z k me 1 1 me 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 n 8 n n 32
受激辐射的光 放大示意图
1. 什么叫粒子数反转？ 通常情况下，n2总是小于n1， 吸收大于受激辐射。 在特殊情况下，n2大于n1，称为粒子数反转。 这时受激辐射大于吸收。
E2
。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 E1 。 N1
粒子数的正常分布
E2 E1
.. .. .
N2
E2
E1
...... ....... ..
现代光学基础
现代光学以1960年梅曼成功研制出的第一台红 宝石激光器为标志
激光 “Laser”——“Lihgt amplification by stimulated emission of radiation”（光受激辐射放大） 它是一种单色性佳、亮度高、相干性强、方向性好的 相干光束。 目前，在激光理论，激光技术，激光应用等各个方面， 都取得了巨大进展，而且带动了全息光学，非线性光 学，傅里叶光学，激光光谱，光化学，光通讯，光存 贮，光信息等新兴学科的发展。
半导体激光器中粒子数反转的形成机制_概述及解释说明
半导体激光器中粒子数反转的形成机制概述及解释说明1. 引言1.1 概述半导体激光器是一种关键的光电器件，具有广泛的应用领域，如通信、医疗和制造等。
粒子数反转作为半导体激光器实现放大和产生激光所必需的基本过程之一，在该领域中被广泛研究和应用。
本文将重点讨论半导体激光器中粒子数反转的形成机制。
1.2 文章结构本文按照以下结构进行组织：首先，我们将介绍半导体激光器的基本原理，包括光与物质交互作用、PN结和载流子注入以及积极性反转和自发辐射过程。
接下来，我们将详细分析粒子数反转的原理和机制，包括能带结构对粒子数反转影响的分析、载流子浓度控制与限制因素的讨论以及光吸收和增益特性的解释。
然后，我们将介绍形成粒子数反转所采用的实验方法和技术应用，并探讨加载实验与电流阈值之间存在关系的证明、束缚态材料在半导体激光器中的应用研究进展以及温度对粒子数反转效果的影响研究。
最后，我们将总结文章涵盖的主要观点和论述内容，并展望半导体激光器中粒子数反转机制的未来发展方向和可能的应用领域。
1.3 目的本文旨在提供关于半导体激光器中粒子数反转形成机制的综合概述，并解释说明相关原理和机制。
通过深入探讨这一课题，有助于增进读者对半导体激光器工作原理的理解，以及为相关领域的研究者提供参考和启发。
2. 半导体激光器的基本原理2.1 光与物质交互作用在半导体激光器中，光和物质之间的交互作用是实现粒子数反转的关键。
当光通过半导体材料时，它会与电子和空穴相互作用，从而改变它们的能级分布。
2.2 PN结和载流子注入半导体激光器通常由PN结构组成，其中P区域富集正电荷载流子（空穴），N 区域则富集负电荷载流子（电子）。
通过外部电源施加电压，在PN结附近形成耗尽层。
当正向偏置PN结时，正电压使得正电荷向P区移动，而负电荷向N 区移动。
这个过程被称为载流子注入。
2.3 积极性反转和自发辐射过程在激活载流子注入后，会形成一个积极性反转（population inversion）的状态，即在激发态比基态还要多。
介质在小信号时的粒子数反转分布值 激光原理及应用 [电子教案]电子
![介质在小信号时的粒子数反转分布值 激光原理及应用 [电子教案]电子](https://img.taocdn.com/s3/m/e5492e4bfd4ffe4733687e21af45b307e871f926.png)
介质在小信号时的粒子数反转分布值——激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的发现1.2 激光的特点1.3 激光的应用领域第二章：激光原理2.1 介质中的粒子数反转2.2 受激辐射与受激吸收2.3 激光产生条件第三章：介质在小信号时的粒子数反转分布值3.1 粒子数反转的基本概念3.2 小信号下的粒子数反转分布3.3 粒子数反转分布与激光输出的关系第四章：激光器的工作原理4.1 气体激光器4.2 固体激光器4.3 半导体激光器第五章：激光应用技术5.1 激光通信5.2 激光雷达5.3 激光加工本教案主要介绍了激光的基本概念、原理以及应用。
通过学习，使学生了解激光的发展历程，掌握激光的产生原理，了解介质在小信号时的粒子数反转分布值，熟悉各种类型的激光器及其应用领域。
在教学过程中，应注意理论与实践相结合，引导学生关注激光技术在现代科技领域的应用，提高学生的科技创新能力和实践能力。
注重培养学生的团队合作精神和动手能力，为我国激光产业的发展培养高素质的人才。
第六章：激光的物理性质与应用6.1 激光的单色性6.2 激光的方向性6.3 激光的高亮度6.4 激光的应用实例第七章：激光设备与系统7.1 激光发生器7.2 激光束整形与传输设备7.3 激光检测与控制系统7.4 激光安全与防护第八章：激光在材料加工中的应用8.1 激光切割8.2 激光焊接8.3 激光打标8.4 激光雕刻第九章：激光在生物医学中的应用9.1 激光手术9.2 激光治疗9.3 激光诊断9.4 激光生物传感第十章：激光技术的发展趋势与展望10.1 光纤激光技术10.2 量子激光技术10.3 激光芯片与半导体激光技术10.4 激光技术的未来发展趋势本教案通过前五章的学习，使学生对激光的基本原理和应用有了初步的了解。
第六章至第十章进一步深入探讨了激光的物理性质、应用设备、材料加工、生物医学应用以及激光技术的发展趋势。
通过这些章节的学习，学生可以全面掌握激光技术的基本知识和应用能力。
第三章补充1 半导体激光粒子数反转与光场分布
Ec
Ev
A21---自发发射几率， c、 v ---导带和价带的态密度；1/2考虑了电子自旋 red---振子的有效态密度
•受激光发射跃迁
电子在能量为hv的外界光子作用下由导带能级E2跃迁到价带内能量为E1＝(E2— hv)，同时放出能量为hv的光子
受激发射速率r21(st)
单位体积、单位时间、单位能量间隔内参与受激发射的电子数；r21(st)与电子在 能级E2的占据几率fc和能级E1 空着的几率（1—fv）之积成正比，与r成正比，
第三章补充 粒子数反转、光场限制 原理与光场分布
深圳大学 光电工程学院
目录
1、半导体激光器结构 2、阈值条件和光增益发布 2-1、阈值增益 2-2、增益谱计算 2-3、增益系数与电流密度的关系 2-4、增益饱和 3、半导体激光器的模式 3-1、波动方程 3-2、电学常数与光学常数 3-3、TE模与TM模 3-4、对称三层介质波导 3-5、图解法 3-6、不对称三层介质波导 3-7、模的截至条件
Ec
B12为受激吸收跃迁几率系数
Ev
•爱因斯坦（Einstein)关系
☆ 热平衡条件下，总的发射速率应该等于总的吸收速率
B12 B21
2 8n 3 E21 A12 B21 Z ( E21 ) B21 3 3 hc
简写为：
B
2 8n 3 E21 A B Z ( E21 ) B 3 3 hc
级E2的占据几率fc和能级E1 空着的几率（1—fv）之积成正比，也与red成正比
r21 A21 f c 1 f v r 1 1 1 r 2 v c 1 f c E2 EFC e kT 1 1 f v E1 EFV e kT 1
半导体激光器分析PPT课件
.
35
1. 发射波长和光谱特性
峰值波长：在规定输出光功率时，激光器受激 辐射发出的若干发射模式中最大强度的光谱 波长。
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。
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 6.3.3 分布反馈激光器 一、 工作原理 二、DFB激光器的优点
.
9
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。
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。
收） 自发辐射 受激辐射
.
3
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
.
4
E2
hυ
E1
初态
E2
E1
终态
(b) 受激辐射 光子的特点：相干光
.
5
E2
hυ
E1
初态
E2
半导体激光器光放大,粒子数反转及产生激光的条件
一、概述半导体激光器是一种应用广泛的激光器组件，其工作原理主要基于光放大、粒子数反转和产生激光的条件。
本文将从这三个方面展开探讨，分析半导体激光器在光放大、粒子数反转和激光产生方面的原理和条件，以及其在实际应用中的重要性和发展前景。
二、光放大1. 光放大的原理半导体激光器的光放大原理基于电子和空穴在半导体材料中的复合过程。
当外加电压作用下，电子和空穴通过与材料内部的能带结构相互作用，发生辐射复合，并释放出光子。
这些光子在光波导中不断反射，形成光放大。
2. 光放大的条件光放大的条件主要包括外加电压、半导体材料的能带结构和波导结构等因素。
其中，外加电压的大小决定了电子和空穴的注入浓度，能带结构则决定了光子的发射和吸收过程，波导结构则影响了光子的传播和反射。
三、粒子数反转1. 粒子数反转的概念粒子数反转是指在半导体材料中，处于激发态的粒子数多于处于基态的粒子数，从而形成了非热平衡态。
这种粒子数反转是产生激光的前提条件。
2. 粒子数反转的实现粒子数反转的实现需要通过外界光激发或电子注入的方式，将处于材料的基态的电子或空穴激发到高能级，从而实现处于高能级的粒子数多于基态的粒子数，进而实现粒子数反转。
四、产生激光的条件1. 情况一：光放大条件下的粒子数反转在光放大条件下，外界光激发或电子注入导致了粒子数反转，此时，当光子在材料中反射、被吸收和发射后达到一定数量和分布时，就会产生激光。
2. 情况二：激射阈值条件在光放大条件下，粒子数反转达到一定程度时，即达到了激射阈值，此时将会出现放大因子大于1的现象，从而产生了激射效应。
五、半导体激光器的应用和发展半导体激光器作为一种重要的激光器组件，具有体积小、效率高、响应速度快等优势，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
随着半导体材料、器件技术的不断发展，半导体激光器的性能和应用领域也在不断拓展和深化，具有广阔的发展前景。
六、结论半导体激光器的光放大、粒子数反转和激光产生是其实现激光放大的基本原理和条件。
10 半导体粒子数反转条件
半导体的粒子数反转条件
1 三种基本跃迁过程
氢原子模型
• 受激吸收
• 自发辐射
n 自发辐射→ LED n 受激辐射 → LD, SOA n 受激吸收 → PIN, APD
Chapter 2
SOEI, HUST
• 受激辐射
2
2. 辐射和吸收速率
E2
N2
Rspon A N2
受激吸收速率
Rabs () EC B(E1, E2) fv (E1)[1 fc (E2)]cv phdE2
公式3 公式4 公式5
E2 E1
cv
(2mr )3/ 2
2 23
(
Eg )1/ 2
Ø ρcv: 联合态密度, 描述单位体积单位能量的态
数目Eg: bandgap Ø mr=(mcmv)/(mc+mv): 约化质量 Ø mc, mv: 电子和空穴的有效质量
可用小 字显示
Chapter 2
SOEI, HUST
8
半导体材料中的粒子数反转条件
n 要保证激光输出, Rstim Rabs
fc (E2 ) fv (E1) E fc E fv E2 E1 Eg
Ø 热平衡
E fc E fv
Ø 打破热平衡
E fc E fv
打破热平衡：pn结 结合 正向偏置注入电流
SOEI, HUST
12
3. 粒子数反转条件
电子在各能级上的分布符合费米——狄拉克统计分布
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）
SOEI, HUST
13
3. 粒子数反转条件
总的受激发射和受激吸收速率
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形成激光的三条件
– 增益物质 – 粒子数反转(增益超过损耗） – 谐振腔（模式选择）
必要条件：粒子数反转 充分条件：超过阈值增益
晶体的[110]面
粒子数反转条件推导：
•自发光发射跃迁
导带内能量为E2的电子向价带内能量为E1＝(E2—hv)状态之间的跃迁 自发发射速率r21(sp): 单位体积、单位能量间隔、单位时间内的自发发射电子数；r21(sp)与电子在能 级E2的占据几率fc和能级E1 空着的几率（1—fv）之积成正比，也与red成正比
r21 A21 f c 1 f v r
r
1 2
1 c
1 v
1
f 1 c
E 2 E FC
e kT 1
f 1 v
E1 E FV
e kT 1
Ec Ev
A21---自发发射几率， c、 v ---导带和价带的态密度；1/2考虑了电子自旋 red---振子的有效态密度
•受激光发射跃迁
简写为：
B
A
8
n
3
E
2 21
h 3c 3
B
Z ( E 21 ) B
•净受激发射率r21net(st)
r2n1e(st )tr2(1s)tr1a2 (s)t
B21 fc(1fv)B12fv(1fc)S(E2)1r B21fcfvS(E2)1 r
•半导体中总的受激发射速率
R s(t )S( ) B 2(1 E 2, )V c(E 2)v(E 2 )fcfv 1 v c 1d2E
r 2 ( s 1 ) t B 2 f c 1 1 f vr S ( E 2 ) 1Ec
B21是受激发射跃迁系数，
量纲为[能量×体积／时间]
Ev
•受激光吸收跃迁
电子在能量为hv的光子作用下吸收其能量并由价带中的E1能级跃迁到导带 的E2能级，它是受激光发射的逆过程 受激吸收跃迁速率 单位体积、单位时间、单位能量间隔内参与受激吸收的电子数；r21(st)，与电子 在能级E2的占据几率fc和能级E1 空着的几率（1—fv）之积成正比，与r成正比， 还与光子密度S(E21)成正比
m(/2) = L
L
(b )
St ationary EM oscillations
m
M irr or
M irr or
如何获得单纵模工作？？
FP-LD工作原理
n1
分布反馈半导体激光器（DFB－LD ）单模工作原理
B 2n1/m
λB为光栅的布拉格波长 n1为光栅材料折射率 ∧为光栅周期 m为光栅衍射级数
r 1 a ( 2 s ) tB 1f 2 v 1 f c r S ( E 2 ) 1 Ec
B12为受激吸收跃迁几率系数
Ev
•爱因斯坦（Einstein)关系
☆ 热平衡条件下，总的发射速率应该等于总的吸收速率
B 12 B 21
A 12
8
n
3
E
2 21
h 3c 3
B 21
Z ( E 21 ) B 21
☆半导体材料的增益性质---受激发射频谱
☆粒子数反转产生增益，输入电流越大，增益越高；粒子数反转不在单能 级间，而是能带间，故有增益谱线宽度；同样注入条件下，量子阱材料 的增益比体材料高，增益线宽更窄
0
（E）
是均方根增益谱宽， 00叫中心波长
g()g(0)exp[(2 20)2]
3.3.18
☆FP-LD纵模选模机理及光谱曲线
• 光增益g(z)=dF/FdZ: 单位长度的光增益， 也叫增
益系数,也是吸收系数的负数，
0
g(E21)(E21)8hn3c2E 22 rst(E21) R 21
g(h v) c n R B 2 1(E 2,h v)c(E 2)v(E 2h v)(fcfv) 1v c 1d E 2
电子在能量为hv的外界光子作用下由导带能级E2跃迁到价带内能量为E1＝(E2— hv)，同时放出能量为hv的光子 受激发射速率r21(st) 单位体积、单位时间、单位能量间隔内参与受激发射的电子数；r21(st)与电子在 能级E2的占据几率fc和能级E1 空着的几率（1—fv）之积成正比，与r成正比， 还与光子密度S(E21)成正比
4、限制因子 5、有源层导波机理 6、垂直于P-N结平面的波导
效应
7、模式选择 8、矩形介质波导
1、 FP-LD基本结构
基本结构：激励源、工作（增益）物质、谐振腔
焊料
光纤微透镜 DFB-LD
两种横向限制结构：
折射率导引：
激光振荡基本条件：
增益导引：
粒子数反转、提供光反馈、满足激光振荡的阈值条件
激光振荡模式
S( )W s(t )
•有源区的受激发射必要条件
--伯纳德和杜拉福格条件
获得净受激发射的条件是Rst (或r21net(st))大于0，即fc＞fv就能满 足上述要求。将fc和fv的表达式代入，得：
fc
fv
1 exp
1
E2 EFC kBT
1 exp
1
E1 EFV kBT
0
E2 EFC kBT
g(h v)0(fcfv)
激励程度
Z Z
g()g(0)exp[(2 20)2]
高斯函数近似
增益分布、发光光谱范围
gmax
FP-LD是多模半导体激光器！！光谱半宽大！！！
色 散 产 生 的 脉 冲 展 宽 D 多模对光纤通信系统的影响？
Optical Gain
Relat ive int ensity
(a)
D op p ler
(c)
br oade nin g
m
Allowed Oscillations (Cavit y Modes)
E1 EFV Ev Eg
2.6-3
Eg 2m ke*2 2m kh*2
透明：光增益为0 粒子数反转：光增益大于0
粒子数反转与光增益
F(z)=F0exp(gz)
• 光波通过介质得到放大
• 光通量F(Z)—z处每秒通过单位截 面的光子数=S*c/nR
第三章补充 粒子数反转、光场限制 原理与光场分布
深圳大学
目录
1、半导体激光器结构 2、阈值条件和光增益发布
2-1、阈值增益 2-2、增益谱计算 2-3、增益系数与电流密度的关系 2-4、增益饱和 3、半导体激光器的模式 3-1、波动方程 3-2、电学常数与光学常数 3-3、TE模与TM模 3-4、对称三层介质波导 3-5、图解法 3-6、不对称三层介质波导 3-7、模的截至条件