半导体激光器课件.ppt
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1、关于半导体激光器现在学习的是第1页,共61页半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结或结或PIN结结为工作物质的一种小型化激光器。其工作原理是受激辐射为工作物质的一种小型化激光器。其工作原理是受激辐射,利用半导体物质在能带间跃迁发光,用半导体晶体的解,利用半导体物质在能带间跃迁发光,用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜,组成谐振腔,使理面形成两个平行反射镜面作为反射镜,组成谐振腔,使光振荡、反馈、产生光的辐射放大,输出激光。光振荡、反馈、产生光的辐射放大,输出激光。半导体激光工作物质有几十种,目前已制成激光器的半导体激光工作物质有几十
2、种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(半导体材料有砷化稼(GaAs)、砷化铟()、砷化铟(InAs)、氮化镓)、氮化镓(GaN)、锑化铟()、锑化铟(InSb)、硫化镉()、硫化镉(Cds)、蹄化镉()、蹄化镉(CdTe)、硒化铅()、硒化铅(PbSe)、啼化铅()、啼化铅(PhTe)、铝镓砷()、铝镓砷(A1xGaAs)、铟磷砷(、铟磷砷(In-PxAs)等。)等。现在学习的是第2页,共61页半导体激光器件,可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同半导体激光器件,可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件,而双异质结激光器质结激光器和单异质结
3、激光器室温时多为脉冲器件,而双异质结激光器室温时可实现连续工作。室温时可实现连续工作。半导体激光器的激励方式主要有电注人式、光泵浦式和高能电子束半导体激光器的激励方式主要有电注人式、光泵浦式和高能电子束激励式三种激励式三种。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人,即给。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。
4、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分布在一个很宽的范围上。它们所发出的波体激光器的输出波长分布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在长在0.3-34m之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙,最常见之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙,最常见的是的是AlGaAs双异质结激光器,其输出波长为双异质结激光器,其输出波长为750-890nm。现在学习的是第3页,共61页世界上第一只半导体激光器是世界上第一只半导体激光器是1962年问世的,经过几十年
5、来的年问世的,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,其制作技术经历了由扩散法到制作技术经历了由扩散法到液相外延法液相外延法(LPE),),气相外延法气相外延法(VPE),),分子束外延法分子束外延法(MBE),),MOCVD方法(方法(金属有机金属有机化合物汽相淀积化合物汽相淀积),),化学束外延化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型)以及它们的各种结合型等多种工艺。等多种工艺。现在学习的
6、是第4页,共61页半导体激光器其激射阈值电流由几百半导体激光器其激射阈值电流由几百mA降到几十降到几十mA,直到亚直到亚mA,其寿命由几百到几万小时,乃至百万小时。从最初的,其寿命由几百到几万小时,乃至百万小时。从最初的低温(低温(77K)下运转发展到在常温下连续工作,输出功率由几毫瓦)下运转发展到在常温下连续工作,输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)。它具有效率高、体积小、重量轻、结提高到千瓦级(阵列器件)。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、最大可达以上、最大可达50%)
7、、便于直接调制、省电等优点,因此应)、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。为半导体激光器所取代。现在学习的是第5页,共61页半导体激光器最大的半导体激光器最大的缺点缺点是:是:激光性能受温度影响大激光性能受温度影响大,光束的发散角较大(一般在几度到,光束的发散角较大(一般在几度到20度之间),所以在度之间),所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。
8、方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的但随着科学技术的迅速发展,半导体激光器的研究正向纵深方向推进,迅速发展,半导体激光器的研究正向纵深方向推进,半导体激光器的性能在不断地提高。目前半导体激光半导体激光器的性能在不断地提高。目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平,而且光束质量也有了器的功率可以达到很高的水平,而且光束质量也有了很大的提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子很大的提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在技术在21世纪的信息社会中将取得更大的进展,发挥世纪的信息社会中将取得更大的进展,发挥更大的作用。更大的作用。现在学习的是第6页,共61页2.2.1光学谐振腔与
9、激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件(1)粒子数反转产生增益粒子数反转产生增益粒子数反转粒子数反转(population inversion)是产生激光的前提。)是产生激光的前提。一个原子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下,因为一个原子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下,因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律,使得处于基态(最低热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律,使得处于基态(最低能级)的原子数远远多于处于激发态(较高能级)的原子数能级)的原子数远远多于处于激发态(较高能级)的原子数,这种情况得不到激光。为了形成足够的激发辐射,得到激,这种情况得不到激光。为了形成足够的激发辐射,得
10、到激光,就必须用一定的方法去激发原子群体,使亚稳态上的原光,就必须用一定的方法去激发原子群体,使亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的反转。子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的反转。现在学习的是第7页,共61页(2)提供光的反馈提供光的反馈 解理面解理面其中最简单的是法布其中最简单的是法布 里里珀罗腔珀罗腔图图2.2.1-1 激光二极管的谐振腔激光二极管的谐振腔注入电流注入电流有源区有源区解理面解理面解理面解理面L增益介质增益介质R1R2z=0z=L(晶体中易于劈裂的平面称为(晶体中易于劈裂的平面称为“解理面解理面”。凡显露在晶体外表。凡显露在晶体外表的晶面往往是一些解理面。)的
11、晶面往往是一些解理面。)现在学习的是第8页,共61页在在PN结上施加正向电压,产生与内部电场相反方向的外加结上施加正向电压,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,便使向相反,便使N区的电子向区的电子向P区运动,区运动,P区的空穴向区的空穴向N区运动,最后区运动,最后在在PN结形成一个特殊的结形成一个特殊的增益区增益区。粒子数反转分布的产生:粒子数反转分布的产生:增益区的导带有大量的电子,价带大量是空穴,在电子和空穴扩增益区的导带有大量的电子,价带大量是空穴,在电子和空穴扩散过程中,导带的电
12、子可以跃迁到价带和空穴复合,产生散过程中,导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合,产生自发辐射自发辐射光光。这种光发射的范围宽、不集中、效率低。这种光发射的范围宽、不集中、效率低。要真正实现粒子数反转要真正实现粒子数反转以发射激光,必须对载流子及发射光施加附加的限制以发射激光,必须对载流子及发射光施加附加的限制异质结的引异质结的引入入。异质结(异质结(DH:Double-Heterostructure):就是由带隙宽度及折):就是由带隙宽度及折射率都不同的两种半导体材料构成的射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。结。现在学习的是第9页,共61页图图 2.2.1-2 DH激光器工作原理激光器工作原
13、理(a)双异质结构;双异质结构;(b)能带;能带;(c)折射率分布;折射率分布;(d)光功率分布光功率分布(d)Pn5%折射率折射率(c)复合复合空穴空穴异质势垒异质势垒E电子电子能量能量(b)PGa1-x Al x AsPN+(a)-GaAsGa1-y Al y As不同于常规激光出不同于常规激光出射波段单一,半导射波段单一,半导体激光的发光特点体激光的发光特点决定了出射波段非决定了出射波段非常丰富。常丰富。现在学习的是第10页,共61页 for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor
14、effectWilliam Shockley John Bardeen Walter Houser Brattain 获奖评语获奖评语:现代信息技术近几十年深刻改变了人类社会,它的发展必须具备两个简单但又是基本先决条件:一是快速,二是体积小,而这项发明满足了这两个要求。现在学习的是第11页,共61页A.爱因斯坦爱因斯坦 对现物理方面对现物理方面的贡献,特别的贡献,特别是阐明光电效是阐明光电效应的定律应的定律现在学习的是第12页,共61页 A.M.普洛霍罗夫普洛霍罗夫 在量子电子学中的在量子电子学中的研究工作导致微波研究工作导致微波激射器和激光器的激射器和激光器的制作制作 现在学习的是第13页,
15、共61页 1964 C.H.汤斯汤斯 在量子电子学的基在量子电子学的基础研究导致根据微础研究导致根据微波激射器和激光器波激射器和激光器原理构成振荡器和原理构成振荡器和放大器放大器现在学习的是第14页,共61页N.G.巴索夫巴索夫 用于产生激光光用于产生激光光束的振荡器和放束的振荡器和放大器的研究工作大器的研究工作现在学习的是第15页,共61页半导体激光器研究前沿半导体激光器研究前沿垂直于有源层方向上运动的载垂直于有源层方向上运动的载流子动能可量子化成分立的能级,流子动能可量子化成分立的能级,这类似于一维势阱的量子力学问题这类似于一维势阱的量子力学问题,因而这类激光器叫做量子阱激光,因而这类激光
16、器叫做量子阱激光器。器。夹于宽带隙半导体(如夹于宽带隙半导体(如GaAlAs)中间的窄带隙半导体(如)中间的窄带隙半导体(如GaAs)起着载流子(电子和空穴)陷阱的作用,一般的半导体激光器其)起着载流子(电子和空穴)陷阱的作用,一般的半导体激光器其厚度约为厚度约为100200nm,但随着有源层厚度的减小,如,但随着有源层厚度的减小,如510nm,载,载流子在垂直于有源层方向上出现量子效应,即出现量子化分立流子在垂直于有源层方向上出现量子效应,即出现量子化分立能级,称之为能级,称之为量子阱激光器量子阱激光器。这种激光器发光效率更高,电流这种激光器发光效率更高,电流阈值更小,出射光单色性更好。阈值
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- 半导体激光器 课件
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