光源光电器件3.3节.ppt

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1、3.3 3.3 3.3 3.3 激光光源激光光源激光光源激光光源激光光源的优点激光光源的优点方向性强、单色性好、相干性好、光亮方向性强、单色性好、相干性好、光亮 度高等。度高等。激光器的分类激光器的分类 1.1.按激光器按激光器工作物质工作物质的种类分的种类分 固体激光器固体激光器 气体激光器气体激光器 液体激光器液体激光器 半导体激光器半导体激光器 2.2.按激光器按激光器工作方式工作方式分分 连续型激光器连续型激光器 超短脉冲型激光器超短脉冲型激光器 脉冲型激光器脉冲型激光器 Q Q突变型激光器突变型激光器3.3.1 3.3.1 半导体激光器的分类半导体激光器的分类 半导体激光器，也称激光

2、二极管半导体激光器，也称激光二极管(Laser Diode(Laser Diode，简称，简称LD)LD)，是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器。它可分为是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器。它可分为 1.1.从半导体激光器的反射激光看从半导体激光器的反射激光看 半导体结型二极管注入式激光器半导体结型二极管注入式激光器 垂直腔表面发射半导体激光器垂直腔表面发射半导体激光器 2.2.从结型看从结型看 同质结激光器同质结激光器 异质结激光器异质结激光器 3.3.从制造工艺看从制造工艺看 一般半导体激光器一般半导体激光器 分布反馈式半导体激光器分布反馈式半导体激光器 量子阱半导体激光器量

3、子阱半导体激光器 4.4.从阵列看从阵列看 单元阵列单元阵列 一维线阵列一维线阵列 二维面阵列二维面阵列 5.5.从发光的光谱看从发光的光谱看 可见光半导体激光器可见光半导体激光器 非可见光半导体激光器非可见光半导体激光器3.3.2 3.3.2 激光的产生机理激光的产生机理 激光的产生机理一般涉及激光的产生机理一般涉及受激辐射受激辐射、粒子数反转粒子数反转与与谐振谐振三三个关键问题。个关键问题。1.1.自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射 设设E1为基态能级，为基态能级，E2为激发态能级。在常温下大部分电子为激发态能级。在常温下大部分电子处于基态。当原子在处于基态。当原子在E1与与E2两个能级

4、之间跃迁时将产生两个能级之间跃迁时将产生自发辐自发辐射射、受激辐射受激辐射和和受激吸收受激吸收三个基本过程三个基本过程。自发辐射的特点自发辐射的特点 每个原子的跃迁是独立的每个原子的跃迁是独立的自发进行的，它们彼此毫无关自发进行的，它们彼此毫无关系，因而发出的辐射是杂乱无系，因而发出的辐射是杂乱无章的非相干光。章的非相干光。自发辐射的寿命就是原子自发辐射的寿命就是原子处于激发态的平均时间，一般处于激发态的平均时间，一般在在1010-9-91010-3-3 s s。图图3-24 3-24 原子的自发辐射、受激辐射和原子的自发辐射、受激辐射和受激吸收示意图受激吸收示意图产生激光的必要条件产生激光的

5、必要条件:受激辐射占主导地位受激辐射占主导地位2.2.粒子数反转粒子数反转-分布反转分布反转 使处于激发态的载流子数远大于处于基态的载流子数。即使处于激发态的载流子数远大于处于基态的载流子数。即把载流子的正常分布倒转过来，称为把载流子的正常分布倒转过来，称为粒子数的反转粒子数的反转或或粒子分布粒子分布的反转状态的反转状态。粒子数的反转是使受激辐射从次要地位转化为主导地位的粒子数的反转是使受激辐射从次要地位转化为主导地位的必要条件，也是产生激光发射的必要条件必要条件，也是产生激光发射的必要条件。使激光物质产生粒子反转的方法有：使激光物质产生粒子反转的方法有：固体激光器常采用适当谱线的强光对激光物

6、质进行照射；固体激光器常采用适当谱线的强光对激光物质进行照射；气体激光常采用使气体电离的方法；气体激光常采用使气体电离的方法；半导体激光器采用注入载流子的方法。半导体激光器采用注入载流子的方法。3.3.谐振腔谐振腔 产生谐振的方法产生谐振的方法 在激光物质的两侧放置相互平行的反光镜，形成光的在激光物质的两侧放置相互平行的反光镜，形成光的“共共振振”现象。通常将能使光产生现象。通常将能使光产生“共振共振”的装置称为的装置称为“共振腔共振腔”或或“谐谐振腔振腔”。自发辐射的方向不与谐振腔轴线平行的光子将被反射出腔自发辐射的方向不与谐振腔轴线平行的光子将被反射出腔外，只有与轴线平行的自发辐射光子才能

7、产生外，只有与轴线平行的自发辐射光子才能产生“共振共振”现象而现象而被被增强，形成受激辐射。增强，形成受激辐射。产生激光的又一个必要条件产生激光的又一个必要条件谐振腔谐振腔 产生稳定的振荡条件：产生稳定的振荡条件：共振腔的长度共振腔的长度L恰好等于辐射光半波长的整数倍，即恰好等于辐射光半波长的整数倍，即（3-93-9）式中，式中，n为与波长为与波长相关的介质折射率；相关的介质折射率；m为正整数。对于为正整数。对于不同的不同的m值，值，将有不同波长的驻波相对应。将有不同波长的驻波相对应。谐振腔的纵模谐振腔的纵模 将在共振腔内沿腔轴方向的各种可能的驻波。将在共振腔内沿腔轴方向的各种可能的驻波。纵模

8、频率纵模频率 谐振腔的谐振频率谐振腔的谐振频率纵模频率可表示为纵模频率可表示为 v=mc/2nL （3-10）纵模频率纵模频率v只与腔体长度只与腔体长度L及介质材料的折射率及介质材料的折射率n有关。与其他有关。与其他参数无关。参数无关。获得激光输出的获得激光输出的3 3个必要条件为个必要条件为：必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能级上去，必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能级上去，为此需要泵浦源；为此需要泵浦源；要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗；要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗；有一个谐振腔为出射光子提供正反馈极高的增益，用以有一个谐振腔为出射光子提供正反馈极高

9、的增益，用以 维持受激辐射的持续振荡维持受激辐射的持续振荡 法布里法布里-珀罗腔珀罗腔 在半导体激光器中，在半导体激光器中，两端的解理面起到反射镜两端的解理面起到反射镜的作用。图的作用。图3-243-24所示为不所示为不需外加需外加反射镜的反射镜的法布里法布里珀罗腔光学谐振腔。珀罗腔光学谐振腔。图图3-24 3-24 法法布里布里-珀罗光学谐振腔珀罗光学谐振腔解理面作为反射镜的解理面作为反射镜的反射率反射率为为（3-113-11）式中，式中，n n为增益介质的折射率，其典型值为，解理面的为增益介质的折射率，其典型值为，解理面的反射率为反射率为30%30%。阈值增益阈值增益只有当增益等于或大于总

10、损耗时，才能建立起只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起 稳定的振荡。这一临界增益被称为阈值增益。稳定的振荡。这一临界增益被称为阈值增益。阈值电流阈值电流为达到阈值增益所要求的注入电流。为达到阈值增益所要求的注入电流。设一振幅为设一振幅为E E0 0，频率为，频率为，波数，波数K=n/cK=n/c的平面波，在长的平面波，在长度为度为L L、功率增益系数为、功率增益系数为g g 的光腔中往返一次后，其振幅将增的光腔中往返一次后，其振幅将增大到大到 exp(g/2)(2L)倍，相位变化为倍，相位变化为 2KL，考虑到激光器内的各，考虑到激光器内的各种吸收和散射损耗及端面透射输出，振幅变化为种吸收

11、和散射损耗及端面透射输出，振幅变化为 R1、R2为端面反射率，为端面反射率，int为腔内总损耗率。在稳定工作时，为腔内总损耗率。在稳定工作时，平面波在腔内往返一次强度平面波在腔内往返一次强度E0应保持不变。即应保持不变。即（3-123-12）令等式两边令等式两边振幅振幅和和相位相位分别相等，则得分别相等，则得（3-133-13）（3-143-14）式中式中，K=2nv/c，m为为整数。整数。激光稳定工作的条件激光稳定工作的条件振幅条件和相位条件。振幅条件和相位条件。振幅条件振幅条件规定增益和电流的最小值规定增益和电流的最小值 相位条件相位条件规定激光器的振荡频率规定激光器的振荡频率v 必为必为

12、v=mc/2nL中的中的一个频率。这些频率对应于一个频率。这些频率对应于纵向模式纵向模式（简称纵模），并与光学（简称纵模），并与光学谐振腔的长度有关。谐振腔的长度有关。一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。模式，即在该频率上形成激光输出。多（纵）模激光器多（纵）模激光器-有有2 2个以上纵模激励的激光器。个以上纵模激励的激光器。单（纵）模激光器单（纵）模激光器在谐振腔中加入色散元件或采用外腔在谐振腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激励。反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激

13、励。图图3-25 3-25 激光器纵模分布及增益曲线激光器纵模分布及增益曲线3.3.3 3.3.3 半导体激光器半导体激光器 半导体激光器有半导体激光器有 电子束激励式电子束激励式 注入式注入式应用最普遍应用最普遍结型二极管注入式激光器结型二极管注入式激光器 结构与原理结构与原理 根据产生激光所必须具备的条件，激光器一般由三部分组根据产生激光所必须具备的条件，激光器一般由三部分组成，即成，即激发装置（泵源）激发装置（泵源）工作物质工作物质 谐振腔谐振腔 激光器的结构激光器的结构 图图3-26 3-26 结型半导体激光器结构结型半导体激光器结构原理原理 结型激光器所用的半导结型激光器所用的半导体

14、材料是重掺杂半导体。体材料是重掺杂半导体。平衡态时，平衡态时，P P区价带顶没有电区价带顶没有电子，子，N N区导带底有高浓度的电区导带底有高浓度的电子。子。图图3-27 3-27 结型激光器的能带结构结型激光器的能带结构 当外加电压足够大当外加电压足够大(qU(qUE Eg g)时，在势垒区和它的两侧一时，在势垒区和它的两侧一个扩散长度范围内将出现一个分布反转区，这就是发射激光个扩散长度范围内将出现一个分布反转区，这就是发射激光的工作区。再加上端面反射的反馈便会产生激光。的工作区。再加上端面反射的反馈便会产生激光。图图3-27 3-27 结型激光器的能带结构结型激光器的能带结构 主要特性主要

15、特性 激光阈值条件及影响阈值的因素激光阈值条件及影响阈值的因素 在激光器中，要维持激光振在激光器中，要维持激光振 荡，不仅需要是光子的产生速率荡，不仅需要是光子的产生速率 超过吸收速率，而且还要超过光超过吸收速率，而且还要超过光 子在结区的损耗率，以抵偿吸收子在结区的损耗率，以抵偿吸收 与损耗的光子。与损耗的光子。I th为阈值电流为阈值电流-达到阈值增达到阈值增 益时注入的电流密度。益时注入的电流密度。图图3-28 3-28 激光器的输出特性曲线激光器的输出特性曲线影响阈值的因素影响阈值的因素 实验条件实验条件衬底相同、共振腔的长度不同时，在不同温度衬底相同、共振腔的长度不同时，在不同温度

16、下进行实验。下进行实验。thth与激光器长度与激光器长度L L有关，激光有关，激光 器长度器长度L L越大，越大，I Ithth越小；越小；thth与二极管表面反射率有关；与二极管表面反射率有关；thth与结区表面透过损耗有关；与结区表面透过损耗有关；thth与结区附近物质的吸收损耗与结区附近物质的吸收损耗 有关；有关；图图3-29 3-29 典型典型GaAsGaAs激光器的阈值电流激光器的阈值电流I Ithth与腔长的关系与腔长的关系thth与温度有关；在室温以下的全部温度范围内都能保持良好与温度有关；在室温以下的全部温度范围内都能保持良好 的线性关系，在低温下的线性关系，在低温下I Ith

17、th随掺杂浓度而增大，在高温下与随掺杂浓度而增大，在高温下与T T3 3 成正比；成正比；要达到同一增益，低温下所需的要达到同一增益，低温下所需的I Ithth小，高温下所需小，高温下所需 的的I Ithth大，所以半导体激光器多在低温下使用；大，所以半导体激光器多在低温下使用；thth与单轴向压力与单轴向压力(指在一个轴的方向上加压力指在一个轴的方向上加压力)有关，有关，I Ithth随单随单 轴向压力增大而减小；轴向压力增大而减小；thth外加磁场有关，外加磁场有关，I Ithth随外加磁场强度的增大明显减小，并趋随外加磁场强度的增大明显减小，并趋 于稳定值。于稳定值。半导体激光器的阈值电

18、流都比较大。半导体激光器的阈值电流都比较大。阈值电流很高的激光阈值电流很高的激光器，通常用脉冲电流来激励，以降低平均热损耗器，通常用脉冲电流来激励，以降低平均热损耗。频谱分布频谱分布 结型激光器的频谱分布取决于组成激光器的半导体材料结型激光器的频谱分布取决于组成激光器的半导体材料，激光频率激光频率-在某一特殊频率时被增强得最多，这个特定频在某一特殊频率时被增强得最多，这个特定频率为谐振腔内形成的驻波频率，也是激光发出的激光频率。率为谐振腔内形成的驻波频率，也是激光发出的激光频率。图图3-30 3-30 GaAsGaAs激光器光谱分布曲线激光器光谱分布曲线2.2.异质结激光器异质结激光器 为了降

19、低激光器在室温下的阈值电流，实现室温下的连续为了降低激光器在室温下的阈值电流，实现室温下的连续振荡。振荡。单异质结激光器单异质结激光器 单异质结激光器在低温下阈值电流密度与同质结差不多，单异质结激光器在低温下阈值电流密度与同质结差不多，但在温度变化时，单异质结激光器得阈值随温度的变化较小，但在温度变化时，单异质结激光器得阈值随温度的变化较小，如室温下的阈值电流密度可降至如室温下的阈值电流密度可降至8000 A/cm8000 A/cm2 2，但也只能实现室，但也只能实现室温下的脉冲振荡。温下的脉冲振荡。图图3-31 3-31 单异质结激光器的能带结构单异质结激光器的能带结构 双异质结激光器双异质

20、结激光器 双异质结激光器的阈值电流进一步降低到双异质结激光器的阈值电流进一步降低到100010003000 A/cm3000 A/cm2 2，实现了室温下的连续振荡。实验证明，阈值电流随温度的变化实现了室温下的连续振荡。实验证明，阈值电流随温度的变化也较小。也较小。图图3-32 3-32 双异质结激光器的能带结构双异质结激光器的能带结构3.3.半导体激光器的应用半导体激光器的应用 半导体激光器自半导体激光器自19621962年问世以来，发展极为迅速。特别年问世以来，发展极为迅速。特别是进入是进入2020世纪世纪8080年代，借用微电子学制作技术，现已大量生年代，借用微电子学制作技术，现已大量生产半导体激光器。以半导体产半导体激光器。以半导体LDLD条和条和LDLD堆为代表的高功率半导堆为代表的高功率半导体激光器品种繁多。体激光器品种繁多。LD LD在激光通信、光纤通信、光存储、光陀螺、激光打印、在激光通信、光纤通信、光存储、光陀螺、激光打印、光盘录放、测距、制导、引信以及光雷达等方面已经获得了光盘录放、测距、制导、引信以及光雷达等方面已经获得了广泛应用，大功率广泛应用，大功率LDLD可用于医疗、加工和作为固体激光器的可用于医疗、加工和作为固体激光器的泵浦源等。泵浦源等。