半导体激光器
半导体激光器的优点
半导体激光器的优点引言半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的装置。
由于其独特的结构和物理特性，半导体激光器在众多领域中展现出了重要的优势。
本文将重点介绍半导体激光器的优点，并探讨其在科学研究、医学、通信和制造业等方面的应用。
优点一：体积小、功耗低相较于其他激光器类型，半导体激光器具有明显的体积小、功耗低的优点。
其制造过程相对简单，可以实现高度集成和微小尺寸，节省了宝贵的空间。
此外，由于半导体激光器使用的低功率电流，其功耗远低于其他激光器类型，从而能够降低使用成本并延长电池寿命。
优点二：高效率、高可靠性半导体激光器在能量转换方面表现出色。
相较于其他激光器类型，如气体激光器或固体激光器，半导体激光器的光电转换效率更高，能将更多的电能转化为光能。
这使得半导体激光器能够在低功率输入下输出高强度的激光。
此外，半导体激光器的可靠性也很高，寿命长，运行稳定，不容易损坏，不需要频繁的维护，节省了维修和更换的成本。
优点三：波长可调、频率可调半导体激光器具有波长可调和频率可调的优点，这使得其在科学研究和通信领域具有广泛的应用潜力。
通过调整材料组成、温度或电流等参数，可以实现半导体激光器输出激光的波长和频率的可调控。
这一特点使得半导体激光器能够用于光纤通信、光谱分析、光学测量和生物医学等领域，满足不同应用需求。
优点四：快速开关和调制性能强半导体激光器具有快速开关和调制性能强的优点。
由于激光的速度非常快，半导体激光器能够实现亚纳秒级的快速开关，这对于光通信和高速计算等应用非常重要。
此外，半导体激光器具有良好的调制性能，能够频繁地开关和调节激光的输出强度和频率。
这种可调性使得半导体激光器能够满足高速信号传输和光学存储等领域的需求。
优点五：可靠工作在极端环境下由于其固态结构和高可靠性，半导体激光器可以在极端环境下可靠工作。
与气体激光器相比，半导体激光器不需要依赖高压气体或玻璃管等易损部件来工作，从而能够在高温、低温、高压和高湿度等恶劣环境下正常运行。
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 —。
半导体激光器的原理及其应用
半导体激光器的原理及其应用半导体激光器（Semiconductor Laser）是一种将电能转化为光能的电器器件，它利用特定材料中的半导体结构实现激光的放大和产生。
半导体激光器在通信、医疗、信息技术、材料处理等领域中有着广泛的应用。
本文将详细介绍半导体激光器的工作原理及其在不同领域中的应用。
首先，受激辐射是激光器产生激光的基本原理。
半导体激光器利用电子和空穴在半导体材料中的受激跃迁过程产生激光。
当电子从高能级跃迁到低能级时，会放出能量，产生光子。
激光的频率由能带结构决定，不同材质的半导体激光器可以产生不同频率的激光。
其次，光放大是激光器中的一个过程，它使得光子得以在介质中反复穿过并放大。
半导体激光器中利用光子在半导体材料中的受激辐射过程反复放大，产生激光。
半导体材料通常是由n型和p型半导体构成的p-n结构，在这个结构中，通过电流激活半导体材料，使得电子和空穴在材料中产生受激跃迁。
最后，频谱调制是调整激光器输出频率的过程。
通过对激光器中的电流进行调制，可以改变激光器输出的光频率，实现不同应用需求下的频谱调制。
半导体激光器在通信领域中有着广泛应用。
将半导体激光器与光纤相结合，可以实现高速、长距离的光通信系统。
半导体激光器的小体积和低功耗使其成为光通信系统中的理想光源。
在光通信系统中，半导体激光器可以用于光纤通信、光纤传感和激光雷达等方面。
此外，半导体激光器在医疗领域中也有重要应用。
激光手术、激光治疗和激光诊断等技术中，半导体激光器可以提供高效、精确的激光光源，对人体组织进行准确的切割、焊接和光疗。
与传统治疗方法相比，激光器手术可以实现非侵入性、精细化的治疗，减少患者的痛苦和恢复时间。
此外，半导体激光器还广泛应用于信息技术领域。
它可以作为光纤传输中的光源，用于高速数据传输。
在信息存储和显示技术中，半导体激光器可以用于光盘、激光打印和激光投影等设备中。
此外，半导体激光器还可以用于材料加工和材料科学研究中。
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%。
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％
11
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
12
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
32
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
由于各种损耗的存在，激光器输出的光子数会减少，因而又定义了外 量子效率 ηex.
激活区每秒发射的光子 数
ex 激活区每秒注入的电子 — 空穴对数
图(5-31) GaAs激光器的发射光谱
同质结和异质结半导体激光器
1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
➢外微分量子效率:
D
(P Pth ) (i ith )
hν e
D
P hν (i ith )
e
P (i ith )V
➢功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比
• 半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高 能电子束激励式。
• 绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给PN结加正向 电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置 的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。
• 对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分 立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体 激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在 0.3 -34pm之间.其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见 的是AlGaA:双异质结激光器，其输出波长为750 - 890nm。
3.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能
级E被电子占据的几率为
Байду номын сангаас
1 fn (E) EEF
e kT 1
5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件
1.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。为了说明问 题，图(5-25)给出了温度极低时的情况。
fN (E2) fN (E1) EF EF E2 E1 Eg
LD的谐振腔
注入电流
解理面
有源区 L
解理面
R1
增益介质
R2
Z＝0
Z＝L
半导体激光器的结构
•
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，如图示。有源
层夹在P型和N型限制层中间，由
掺杂半导体： 在本征半导体中掺入微量杂质可使半导体性质发生显
著变化，称为掺杂半导体。
N型半导体：若掺入的杂质提供电子给导带，称为N 型杂质
或施主杂质，如掺入锡和碲。掺入N型杂质的材料称为N型 半导体 。 P型半导体：若掺入的杂质提供空穴给价带，称为受主杂质
或P 型杂质 ，如掺入锗。掺入P 型杂质的材料称为P 型
激光器的基本结构
使入射光得到 放大，是核心
泵浦源
光抽运
工作介质
供给工作物质 能量
激光束
只让与反射镜轴向平行的光束 能在激活介质中来回地反射， 连锁式地放大。最后形成稳定
的激光输出。
半导体中的能带
• 价带：是价电子能级分裂出来的价电子能带， 当晶体处于绝对零度和无外界激发时，价电子 完全被共价健束缚住，是不导电的。
此 产 生 的 PN 异 质 结 通 过 欧 姆 接 触
正向偏置，电流在覆盖整个激光器
芯片的较大面积注入。这样的激光
器面积大，称为大面积激光器。由
于在平行于结平面的侧向无光限制
结构，沿激光器的整个宽度上都存
在光辐射，损耗太大，阈值电流较
高，这是大面积激光器的主要特点。
为解决侧向辐射和光限制问题，实
际的激光器采用了增益导引型和折
半导体器件的发光机理
当外加电场正端接P区负端接N区与内电场方向相反时，电子被迫从N 区向P区方向集结，当足够数量的电子能级上升到导带能级，它们的电子 能级就超过了势垒能级，电子流过P-N结进入P 区。
➢
此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在，这种状态称为
粒子数反转。
➢
来自导带的电子失去它的一些能量并下降到价带时，它们和空穴复合
图(5-29) GaAs激光器的伏安特性
图(5-30) 激光束的空间分布示意图
同质结和异质结半导体激光器
1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 ➢光谱特性:图(5-31)是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光 光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱 宽达几十埃。
射率导引型结构。
金属接触
电流
P型
有源层
N型
300m
100m 200m
解理面
半导体激光器的工作原理和阈值条件
1. 半导体激光器的基本结构和工作原理 ➢图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。
图(5-28) GaAs激光器的结构
2. 半导体激光器工作的阈值条件
➢激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件
• 导带：导带是自由电子能带，在没有自由电子 的情况下，这个能级是空着的。当有自由电子 时，它们在外电场作用下就能参与导电 。
• 禁带（带隙）：在价带和导带之间存在一段空 隙，称为禁带或带隙。
半导体中的能带
E Eg
E
E
导 带
禁
导带
带
Eg
禁带
价
价带
带
绝缘体
半导体
导带 价带 导体
半导体中的能带
本征半导体： 完全纯净、结构完整没有杂质的半导体。
图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
2.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频
率满足
EF EF hν Eg
5.4.2 PN结和粒子数反转
1. P-N结的双简并能带结构 ➢把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？ ➢未加电场时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平，如图(5-26)。
半导体的能带和产生受激辐射的条件
1.在一个具有N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为N个能级，因此 这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图(5-23)。
图(5-23) 固体的能带
图(5-24) 本征半导体的能带
2. 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能 带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图(5-24)。
P
iV
P i2RS
2. 异质结半导体激光器
➢单异质结半导体激光器:单异质结器件结构如图(5-32)(b)所示
➢双异质结半导体激光器:双异质结半导体激光器结构如图(5－32)(c)所示。
图(5-32) 同质结、异质结结构示意图
半导体激光器的的主要特性
•
半导体激光器是半导体二极管，它具有
半导体二极管的一般特性，还具有激光器所
200
01
正向电压/ V
2
3
半导体激光器的的主要特性
• 2.量子效率与阈值电流
在复合区内，有两种复合。一种叫辐射复合，一种叫无辐射复合。 前者发出光子，后者不发出光子，而是将多余的能量以热的形式散失掉。 因而注入的电子只有一部分对发光是有效的。通常用内量子效率ηi表示 辐射复合所占的比例。
激活区每秒产生的光子 数
半导体器件的发光机理
• 如果在PN结上加正向电压，外电场与内电 场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。 外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一 部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空 间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电 荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散 运动增强，形成较大的扩散电流（由P区流向N 区的正向电流）。在一定范围内，外电场愈强， 正向电流愈大，这时PN结呈现的电阻很低，即 PN结处于导通状态。
具有的光频特性 。
• 1、伏安特性
•
半导体激光的伏安特性与一般
半导体二极管相同，具有单向导电
性。其伏安特性曲线如图所示。由
于工作时加正向偏压，所以其结电
阻很小。其正向电阻值主要由材料
的体积电阻和引线的接触电阻来决
定。这些电阻虽然很小，但由于工
作电流很大，其作用不能忽略。
正向电流 （mA） 800
400
• 它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功 率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%)。便于直接调制、省电等优点， 因此应用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光 器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器 所取代.
半导体激光器（LD）
并产生出光子。这种过程称为复合。
在理想情况下，能量完全以光子的形式释放出来。如果这一过程自发
地发生，则所发生出的光子能量近似地等于带隙的能量Eg，所产生的光子 在许多随机的方向上进行。另一方面，若在复合区有足够密度的光子存在， 则自发发射(或复合)及受激复合两者都会发生， 所产生的受激光子的行进 方向和原始光子相同。为了使发光半导体(LED)和二极管激光器(LD)能分 别正常工作，自发发射和受激发射都是必要的。
半导体。
半导体中的能带
• 由于杂质能级离导带或价带较近，因 此在常温下，在导带中会出现更多的电 子，而在价带中会出现更多的空穴。如 果掺杂浓度较大，则杂质能级会变成杂 质能带，有可能使得杂质能带与导带或 价带连接起来，改变了禁带宽度，从而 造成器件输出波长的变化。
PN结的能带图
P型区 (EF)P
1 fN (E2 ) E2 EF
e kT 1 ➢价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 fP (E1)
1
EF E1
➢价带顶电子占据几率则为
fN (E1) 1 fP (E1)
1
E1 EF
e kT 1
e kT 1