激光原理 第六讲 半导体光源(2)
lighttools半导体激光管光源
lighttools半导体激光管光源摘要：1.引言2.半导体激光管光源的工作原理3.半导体激光管光源的类型和特点4.半导体激光管光源的应用领域5.我国在半导体激光管光源领域的发展状况6.结论正文：半导体激光管光源是一种利用半导体材料作为工作物质的激光器。
它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，被广泛应用于各个领域。
下面将从工作原理、类型和特点、应用领域以及我国的发展状况等方面进行介绍。
1.工作原理半导体激光管光源通过激发半导体材料中的电子，使其从价带跃迁至导带，并在内部产生光放大现象。
当注入电流达到一定值时，半导体材料中的电子将产生激光发射。
2.类型和特点半导体激光管光源根据波长和输出功率可分为多种类型，如红光、绿光、蓝光等。
不同类型的半导体激光管光源具有不同的特点，如输出功率、光束质量、工作电压等。
半导体激光管光源具有高亮度、高单色性、高方向性、高相干性等优点。
3.应用领域半导体激光管光源广泛应用于以下领域：(1) 工业加工：如打标、切割、焊接等；(2) 信息通信：如光纤通信、光盘驱动器等；(3) 医疗美容：如激光治疗、激光手术等；(4) 科学研究：如光谱分析、激光雷达等；(5) 娱乐照明：如舞台灯光、激光秀等。
4.我国在半导体激光管光源领域的发展状况近年来，我国在半导体激光管光源领域取得了显著的进步。
国内企业和科研机构加大了对半导体激光管光源技术的研究力度，逐步实现了从低端到高端产品的转型。
我国半导体激光管光源产品在国际市场上逐渐占据一席之地。
总之，半导体激光管光源作为一种高性能的光源，具有广泛的应用前景。
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能够产生高度集中、相干度高的光束的装置。
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，在现代光电子技术中得到广泛应用。
本文将详细介绍半导体激光器的发光原理及工作原理。
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能带结构和电子能级的跃迁。
半导体材料通常由两种材料的合金或复合材料构成，其中一种材料为n型半导体，另一种材料为p型半导体。
在n型半导体中，电子能级填充满，而在p型半导体中，电子能级几乎空无一物。
当n型半导体与p型半导体通过pn结结合时，形成了能带弯曲的结构。
在半导体激光器中，通常使用的半导体材料是具有直接能隙的材料，如氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）等。
直接能隙材料的能带结构中，导带和价带之间的能隙较小，使得电子从导带跃迁到价带时释放的能量接近光子的能量。
这种能带结构使得半导体激光器能够高效地将电能转化为光能。
当在pn结中施加外加电压时，电子从n型半导体向p型半导体迁移，空穴则从p型半导体向n型半导体迁移，形成了电子空穴对。
当电子从导带跃迁到价带时，会释放出能量，产生光子。
由于半导体材料的能带结构特点，这些光子的能量与频率相同，具有高度的相干性，从而形成了激光光束。
二、半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理可以分为四个主要步骤：激励、反射、增益和输出。
1. 激励：在半导体激光器中，通过施加外加电压或注入电流来激发电子从导带跃迁到价带，产生光子。
激发电子的方式有多种，如电流注入、光泵浦等。
2. 反射：半导体激光器中，激发的光子会在激光腔中来回反射，其中激光腔由两个半导体材料之间的pn结和两个反射镜组成。
这些反射镜能够反射光子，并将它们引导回激光腔内，形成光的积累效应。
3. 增益：当光子在激光腔中来回反射时，会与激发的电子发生相互作用，激发更多的电子跃迁产生光子。
这种光子的增益效应是通过激光腔中的激发电子与光子之间的相互作用实现的。
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能够产生高强度、单色、相干光的装置，它在许多领域具有广泛的应用，如通信、医疗、材料加工等。
其中，半导体激光器是一种重要的激光器类型，它基于半导体材料的特性来实现激光发射。
本文将详细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半导体激光器的发光原理基于半导体材料的能带结构和电子激发过程。
半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其能带结构决定了其导电性和光学性质。
半导体材料的能带结构包括价带和导带，它们之间的能隙决定了材料的光吸收和发射特性。
当半导体材料处于基态时，其电子主要分布在价带中，导带中几乎没有电子。
当外界施加能量（如电压或者光照）时，部份电子将被激发到导带中，形成电子空穴对。
这些电子空穴对在材料中自由运动，并且在碰撞过程中发生辐射跃迁，产生光子。
半导体激光器的发光过程主要包括以下几个步骤：1. 激发：通过电流注入或者光照射，将半导体材料中的电子激发到导带中，形成电子空穴对。
2. 自发辐射：在电子空穴对的碰撞过程中，部份电子会从导带跃迁回价带，同时释放能量，产生自发辐射。
3. 反射：半导体材料的两端通过反射镜进行反射，形成光学腔，使得光子在腔内来回多次反射。
4. 反馈：由于腔内的光子数目不断增加，当光子数目达到一定程度时，会引起受激辐射，即一个光子激发另一个光子的跃迁。
5. 放大：受激辐射引起的光子会与其他光子发生干涉，使得光强度不断增强，产生光放大效应。
6. 输出：当光强度达到一定阈值时，光通过其中一个反射镜逃逸出腔体，形成激光输出。
二、半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理主要涉及电流注入和光学腔的设计。
1. 电流注入：半导体激光器通过电流注入的方式来激发电子跃迁。
在半导体材料中，通过将正向电流注入到p-n结构中，即p型半导体和n型半导体的结合处，形成一个电子空穴区域。
这样，在电流注入的作用下，电子会从p区域注入n区域，形成电子空穴对，从而实现激发。
半导体激光器工作原理及基本结构 (2)
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
InGaAsP/InP 1.3um 1.48um 1.55um
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半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
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半导体激光器材料生长
• 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。
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弱折射率波导条形激光器（脊形波导）
特点：在侧向对光波的有一定限制作用，在条形有源区上方腐蚀出 一个脊（宽度大约3~4um)，腐蚀深度大概1.5~2um, 腐蚀一部分 上限制层。由于腐蚀深度较深，在侧向形成一定的折射率台阶， 对侧向光波有较弱的限制作用。
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• 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，降低欧姆接触电阻。
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半导体激光器器件制备
半导体激光器工作原理及基本结构
1
半导体激光器工作原理及基本结构
工作原理 分类 材料及器件结构
2
半导体激光器工作原理
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。
3
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。
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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)。
半导体激光器和发光二极管
半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)
半导体光源的优点：
❖ 体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合 ❖ 发射波长适合在光纤中低损耗传输 ❖ 可以直接进行强度调制 ❖ 可靠性高
光 纤 通 信 系统
1
第2讲
一. 激光原理的基础知识
1、光的吸收和放大 1）能级和能带
2）能级的光跃迁 3）光的吸收和放大
(1) 边发射结构
这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上 面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光 。
(2) 面发射结构
这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平 腔和垂直腔结构。
光 纤 通 信 系统
29
第2讲
结构特点: 1) 发射方向垂直于或倾斜于PN结平面 2) 形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和 向上弯腔型激光器。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是 面发射激光器中最有前途的一种激光器 .
光 纤 通 信 系统
该能级被电子占据概率等于50％
该能级被电子占据概率大于50％ 该能级被电子占据概率小于50％
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第2讲
各种半导体中电子的统计分布
本征半导体 P型半导体 N型半导体
兼并型P型半导体 兼并型N型半导体 双兼并型半导体
光 纤 通 信 系统
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第2讲
导带
禁带
Ef
价带
(a) 本征半导体
要APC • 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频率 • 易集成，低价格，高产量
光 纤 通 信 系统
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第2讲
2、量子阱激光器
结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄
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。
半导体激光原理
半导体激光原理半导体激光原理是指利用半导体材料特有的能带结构和载流子性质产生激光辐射的物理过程。
这种激光器之所以被广泛应用于通信、医疗、工业等领域，主要归因于其具有体积小、效率高和可靠性强等优点。
在半导体材料中，能带分为价带和导带，其中导带能量更高，而价带能量较低。
在静态条件下，半导体处于热平衡状态，处于导带和价带之间的载流子数目基本相等。
当外加能量或电场作用下，会引起载流子的非平衡分布，即导带电子数目增多，导致载流子的电荷和能量分布发生变化。
半导体激光器利用费米能级(Fermi level)调节材料内载流子分布，以实现激光辐射。
一般来说，需要在半导体材料中形成反转分布，即使导带中的载流子数目显著大于价带中的载流子数目。
这种反转分布可以通过三种方法实现：光子激发反转、注入电子反转和载流子捕获和重复反转。
光子激发反转是指将能量以光子形式输入到半导体材料中，通过吸收光子激发出电子和空穴，从而实现反转分布。
这种方法常用于激光器中。
注入电子反转是指通过外部电流注入持续电流载流子，使得导带中的载流子数目超过价带中的载流子数目。
这种方法常用于发光二极管(LED)中。
载流子捕获和重复反转是指通过将外部能量输入到半导体材料中，如电子束辐照、注入高能粒子等方式，使得材料内的载流子分布产生反转。
这种方法常用于激光二极管(LD)中。
当半导体材料形成反转分布后，只需要在材料两端形成光学反射镜，即可形成光学腔，从而实现激光辐射。
辐射的光子会反射在腔内多次，产生光的放大和共振。
当放大的光超过一定阈值时，就会出现自发辐射，即产生激光。
这个过程中，要保证能带结构的合适性、载流子的寿命适中以及光学腔的设计等因素，以实现高效的激光辐射。
半导体激光器的性能不仅与半导体材料的能带结构有关，还与材料的制备工艺、器件结构和工作温度等因素密切相关。
半导体激光器的原理基于半导体材料特有的能带结构和载流子性质，实现了高效、小型化和可靠性强的激光器器件。
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以半导体材料为工作物质的激 光器称为半导体激光器。其特点 为超小型、高效率(已达10%以上 、最大可达50%) 、低成本、工作 速度快、能将电能直接转换为激 光能、波长范围宽和便于直接调 制等优点。在光纤通信、光存储 、激光高速印刷、全息照相、激 光准直、测距等方面广泛应用。
产生激光的三个条件?
（C）
运动达到热平衡时， P区和N区的费米能级必然达到同
一水平。 2020/5/16
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导带 Ec
P+ 价带 Ev
Efn费米能级
N+
Ec 导带
Ev价带
费米能级Efp
（A）
导带 Ecp P+
价带 Evp
费米能级
N+ Efp=Efn=Ef
eVD Ef费米能级
Ecn导带
（B）
Evn价带
导带EE(VcpD（-V)a）P重+ 掺杂P型、N型半导体能EEcfnn导 带费；带 米；能（级 b）热平衡时PN结的能带弯曲
当外来光子的能量与上能带中电子和下能带中空穴之 间的能量差相同时，会诱导导带中电子向价带中空穴跃迁 而发出一个同样的光子（全同光子），即产生受激辐射.
入射光频率满足的条件： EF EF hν Eg
二、PN结的双简并能带结构
在热平衡系统中(图a-e )中的情况都只有一个费米
能级不能产生光放大。 将P型和N型半导体（重掺杂型）制作在一起，才
当给P-N结加以正向电压V时，原来的自建场将被削弱， 势垒降低，破坏了原来平衡，引起多数载流子流入对方， 使得两边少数载流子比平衡时增加了，这些增加的少数载 流子称为“非平衡载流子”，这种现象叫做“载流子注入 ”。
此时结区的统一费米能级不复存在，形成结区的两个费米 能级EF+和EF-，称为准费米能级。它们分别描述空穴和电子
(a)-(e)所示的五种情况，半导体中只有一个 费米能级，在它之上没有电子，在它之下已充满 了电子，因此不会发生电子向没有被电子占据的 空态跃迁，而只会吸收外来光子向空态跃迁，因 而不可能产生受激辐射。
⑤双简并半导体——半导体中存在两个费米能级 ( 图f ); 两个费米能级使得导带中有自由电子，价带中 有空穴（存在空态）。
的分布。在结区的一个很薄的作用区，形成了双简并能
二、 粒子数反转
粒子数反转：产生受激辐射的条件是在结区的导带底部 和价带顶部形成粒子数反转分布。
粒子数就是载流子数。正常情况下，电子总是从低能态的 价带填充起，填满价带后才填充导带。如果我们能利用电注 入的办法，便在P-N附近够成大量的非平衡载流子，在此其 复合寿命更短．
eVD Ef费米能级
Ecn导带
（B）
Evn价带
（未a）加重电掺场杂导P带时E型E(Vcp，、D-VN)由型P于+半Eg导电体子能和h带n ；空（穴b）的热扩平散EE衡cfnn导 费时作带 米P能用N级结，的在能P带-弯N曲结；的 交界面两侧形价带成Evp空间电荷区，hn生hn 产N自+ 建eV电场，其电场方向自 N区指向P区费。米能自级E建fp 电场引起漂移运动，Ev当n 价带扩散运动和漂移
复合发光，是自发辐射发光，产生荧光。 LED的颜色与材料的哪种性质有关？
材料的禁带宽度，即材料的类型
LED发光强度的角分布与什么有关？ 封装的工艺
LED的P-I曲线特点？ 较好的线性关系
半导体激光器（LD）
世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，经过几十 年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长 从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参 数也有了很大的提高；其寿命由几百到几万小时，乃至百 万小时；输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)。
上述五幅能带结 构中是否形成粒 子数反转分布？
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); 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);
光电子技术原理 及应用
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1
本章介绍
§3-3 热辐射光源 §3-4 气体放电光源 §3-5 电致发光光源 §3-6 激光 §3-7 半导体光源 §3-8 同步辐射光源
发光二极管 半导体激光器
2
发光二极管的构成材料？ 直接带隙的半导体材料组成PN结。
发光原理？ 外加电场实现粒子数反转分布，大量电子与空穴的
电子或空穴
Байду номын сангаас
一、杂质半导体中费米能级的位置
杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓 度有密切关系。图中给出了温度极低时的情况。
①在未掺杂质的本征型半导体中,费米能级居于禁带中 央 (图a)。
②在轻掺杂P型半导体中，受主能级使费米能级向下移 动(图b)；而在轻掺杂N型半导体中，施主能级使费米能 级向上移动(图d);
能在结区产生两个费米能级，产生粒子数反转分布。
二、PN结的双简并能带结 构
如果我们设法使一块完整的半导体一边是N型，而
另一边是P型，则在接合处形成P-N结。
导带 Ec
P+ 价带 Ev
Efn费米能级
N+
Ec 导带
Ev价带
费米能级Efp
导带 Ecp P+
价带 Evp
费米能级
（A）
N+ Efp=Efn=Ef
1、工作物质: 有适当能级结构，可实现粒子数反转。 2、激励能源: 将大量粒子激励到激光上能级。
3、光学谐振腔: 光学正反馈，控制光束传播方向，
选模（提高单色性）。
要使半导体材料中电子能态发生变化，以形成 一定的粒子数反转，并且要有一个合适的光学谐振 腔。但由于半导体材料中电子运动的特殊性，半导 体激光器又有着许多不同于气体和固体激光器的特 性。要深入了解半导体激光器的特性和原理，必须 先了解有关半导体材料的一些理论基础。
价带 EvpP区和EgN区的hnhn费米能级eV 必然达到同一水平。P区出
费现米能P级型Efp 简并区（价hn带N顶+ 充满Evn价空带 穴），N区出现N型简并
区（导带底（充C）满电子），造成结区产生了能带的弯曲
。2020/5/16 19
自建场的作用，形成了接触电位差VD叫做P-N 结的势 垒高度。P区所有能级上的电子都有了附加位能，它等于 势垒高度VD乘以电子电荷e (eVD)