半导体激光器工作原理及基本结构(精)
半导体激光的原理和应用
半导体激光的原理和应用引言半导体激光是一种重要的光学器件，具有广泛的应用领域。
本文将介绍半导体激光的工作原理及其在通信、医疗、制造业等领域的应用。
工作原理半导体激光的工作原理基于半导体材料的特性。
当电流通过半导体材料时，会激发出光子并形成发光。
具体工作原理如下：1.pn结构：半导体激光器的基本结构是由p型半导体和n型半导体组成的pn结构。
在pn结构中，p区和n区之间形成空间电荷区，也称为p-n 结。
2.电流注入：当通过pn结施加适当的电压，电子从n区向p区流动，形成电流注入。
这些电子与空穴在p区与n区之间复合，产生光子。
3.光反射：在激光器的两侧，通常会使用反射镜，以确保光子在激光器内部多次反射，增加激射效果。
4.放大效应：在光子多次反射后，激光器中的光子会被放大，形成激光束。
5.激光输出：当光子放大到一定程度时，会通过激光输出端口输出，形成一束聚焦强度高的激光。
应用领域半导体激光广泛应用于下述领域：1. 通信领域•光纤通信：半导体激光器的小体积、高效率和调制速度的优势，使其成为光纤通信中的关键元件。
它们被用于发送和接收信号，实现高速、稳定的数据传输。
•光纤传感器：半导体激光器可以用于光纤传感器中的光源，通过测量光的特性实现温度、压力和应变等参数的监测。
2. 医疗领域•激光眼科手术：半导体激光器可以用于激光眼科手术，如LASIK手术。
它们通过改变角膜的形状来矫正近视、远视和散光等眼科问题。
•激光治疗：半导体激光器可以用于激光治疗，如治疗疱疹病毒感染、减少毛囊炎症等。
3. 制造业领域•材料加工：半导体激光器用于材料加工，如切割、焊接和打孔等。
由于激光束的高能量密度和聚焦性，它们可以实现高精度的材料加工。
•激光制造：半导体激光器可以用于激光制造，如3D打印、激光烧结等。
它们可以实现复杂结构的制造，提高生产效率。
4. 科研领域•光谱分析：半导体激光器可以用于光谱分析，如拉曼光谱和荧光光谱。
它们可以提供高分辨率和高灵敏度的光谱结果，帮助科研人员研究物质的性质。
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。
半导体激光器ppt课件
应用：
半导体激光器应用十分广泛，主要分布在军事、生产和医疗方面：
军事：Ⅰ)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。 Ⅱ)激光制导。它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。 Ⅲ)激光测距。主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。 Ⅳ)激光雷达。高功率半导体激光器已用于激光雷达系统
目录
CONTENTS
1 基本介绍及发展 2 基本原理及构成
3 主要特性
4 分类、应用及发展前景
基本介绍及发展
高能态电子束>低能态电子束
高能态
低能
态
同频同相
的光发射
同频同相光 谐振腔内多次往返
放大
激光
激光：通过一定的激励方 式，实现非平衡载流子的 粒子数反转，使得高能态 电子束大于低能态电子束， 当处于粒子数反转状态的 大量电子与空穴复合时， 便产生激光。
激光具有很好的方向性和 单色性。用途十分广泛
高功率半导体激光器
① 、1962年9月16日，通用电气公司的罗伯特·霍尔 （Robert Hall） 带领的研究小组展示了砷化镓（GaAs）半导体的红外发射， 首个半 导体激光器的诞生。 ②、70年代，美国贝尔实验室研制出异质结半导体激光器，通过对光 场和载流限制，从而研制出可在室温下连续运转且寿命较长的激光器。 ③、80年代，随着技术提升，出现了量子陷和超晶格等新型半导体激 光器结构； 1983年，波长800nm的单个输出功率已超过100mW，到 了1989年，0.1mm条宽的则达到3.7W的连续输出，转换效率达39%。 ④、90年代在泵浦固体激光器技术推动下，高功率半导体激光器出现 突破进展。。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵 连续波输出功率达121W，转换效率为45%。
《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。
半导体激光器分析PPT课件
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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
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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
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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
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4
E2
hυ
E1
初态
E2
E1
终态
(b) 受激辐射 光子的特点：相干光
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5
E2
hυ
E1
初态
E2
半导体光纤激光器结构
半导体光纤激光器结构
半导体光纤激光器是一种将半导体激光器与光纤技术相结合的新型激光器。
它具有体积小、功率高、效率高、光束质量好等优点,在通信、工业加工、医疗和军事等领域有着广阔的应用前景。
1. 基本结构
半导体光纤激光器由半导体增益芯片、光纤增益介质和泵浦光源三部分组成。
其中,半导体增益芯片通常采用量子阱结构,可以实现高效率的光电转换;光纤增益介质通常采用掺有稀土离子(如Er3+、Yb3+等)的双包层光纤,用于提供增益;泵浦光源则负责为光纤增益介质提供泵浦能量。
2. 工作原理
半导体激光器产生的激光被耦合进入光纤增益介质,激发其中的稀土离子到高能态。
当稀土离子受到足够的泵浦能量时,就会发生受激辐射,产生与光纤共模相匹配的激光输出。
通过对半导体激光器、光纤结构和泵浦光源的优化设计,可以实现高功率、窄线宽、高光束质量的激光输出。
3. 关键技术
半导体光纤激光器的关键技术包括:高性能半导体增益芯片、高增益光纤材料、高效率光耦合技术、热管理技术等。
其中,光耦合技术对于实现高效率的激光输出至关重要,通常采用夹芯球面透镜或晶圆级封装等方式来提高耦合效率。
半导体光纤激光器凭借其独特的结构优势,在许多领域展现出广阔的应用前景,是未来激光技术的一个重要发展方向。
半导体激光器原理及结构设计
电流，则电子扩散进P+区。要达到受激，必须增大注入电流。
半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计
垂直方向结构设计思想：
从第一只半导体LD的性能来看，要获得应用必须进行结构 设计。垂直方向的结构设计的目的：
降低阈值电流密度Jth； 实现室温下工作； 实现连续注入电流下工作。
p-Ga1-xAlxAs
p-GaAs p-G衬a1-底yAnly-AGsaAs n-Ga1-xAlxAs 衬底n-GaAs
MQWs
半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计
量子阱结构LD —量子阱LD的特性
（1）低的Jth 阱内具有相对高的态密度，容易形成粒子数分布反转。 如：GaAlAs/GaAs MQWs LD： Jth ~ 43A/cm2。 DH LD： Jth ~ 500A/cm2
（2）除受有源区Eg控制外，还随阱宽变化 ——可通过改变阱宽在小范围内选择工作波长。
半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计
量子阱结构LD —量子阱LD的特性
超晶格带的能量随d的减小而增大，d变小，超晶格带之间的跃迁复 合发射光的能量增大，波长变短。
CB
超晶格带的能量 EExEy2 m 2 d22n2Ey,z
CB
d20nm：有源区内的非平衡载流
E3 E2
子大部分聚集在较低的能量状态；
E1
载流子的复合主要发生在阱内；
其发光波长由有源区（GaAs阱） 中的能级状态决定。
VB
n-GaAlAs
Ehh1 Ehh2 Elh1 Ehh3
p-GaAs p+-GaAlAs
半导体LD的结构设计—垂直方向结构设计