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深度解析半導體激光器發光原理及工作原理

發布時間:2018-02-01 責任編輯:lina

【導讀】半導體激光器又稱激光二極管,是用半導體材料作為工作物質的激光器。它具有體積小、壽命長的特點,并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦其工作電壓和電流與集成電路兼容,因而可與之單片集成。


由于這些優點,半導體二極管激光器在激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等方面以及獲得了廣泛的應用。
 
激光器的發光原理
 
 
 
 
產生激光要滿足以下條件:
 
一、粒子數反轉;
 
二、要有諧振腔,能起到光反饋作用,形成激光振蕩;形成形式多樣,最簡單的是法布里——帕羅諧振腔。
 
三、產生激光還必須滿足閾值條件,也就是增益要大于總的損耗。
 
(1)滿足一定的閥值條件。
 
為了形成穩定振蕩,激光媒質必須能提供足夠大的增益,以彌補諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗,不斷增加腔內的光場。這就必須要有足夠強的電流注人,即有足夠的粒子數反轉,粒子數反轉程度越高,得到的增益就越大,即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當激光器達到閥值時,具有特定波長的光就能在腔內諧振并被放大,最后形成激光而連續地輸出。
 
(2)諧振腔,能起到光反饋作用,形成激光振蕩。
 
要實際獲得相干受激輻射,必須使受激輻射在光學諧振腔內得到多次反饋而形成激光振蕩,激光器的諧振腔是由半導體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的,通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質膜,而出光面鍍上減反膜。
 
對F-P腔(法布里—拍羅腔)半導體激光器可以很方便地利用晶體的與P-N結平面相垂直的自然解理面構成F-P 腔。
 
(3)增益條件:
 
建立起激射媒質(有源區)內載流子的反轉分布。在半導體中代表電子能量的是由一系列接近于連續的能級所組成的能帶,因此在半導體中要實現粒子數反轉,必須在兩個能帶區域之間,處在高能態導帶底的電子數比處在低能態價帶頂的空穴數大很多,這靠給同質結或異質結加正向偏壓,向有源層內注人必要的載流子來實現,將電子從能量較低的價帶激發到能量較高的導帶中去。當處于粒子數反轉狀態的大量電子與空穴復合時,便產生受激發射作用。
 
半導體激光器特性
 
半導體激光器是以半導體材料為工作物質的一類激光器件。它誕生于1962年,除了具有激光器的共同特點外,還具有以下優點:
 
(1) 體積小,重量輕;
 
(2) 驅動功率和電流較低;
 
(3) 效率高、工作壽命長;
 
(4) 可直接電調制;
 
(5) 易于與各種光電子器件實現光電子集成;
 
(6) 與半導體制造技術兼容;可大批量生產。
 
由于這些特點,半導體激光器自問世以來得到了世界各國的廣泛關注與研究。成為世界上發展最快、應用最廣泛、最早走出實驗室實現商用化且產值最大的一類激光器。
 
 
 
半導體激光器工作原理
 
半導體激光器工作原理是激勵方式,利用半導體物質(即利用電子)在能帶間躍遷發光,用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡,組成諧振腔,使光振蕩、反饋,產生光的輻射放大,輸出激光。
 
半導體激光器是依靠注入載流子工作的,發射激光必須具備三個基本條件:
 
(1)要產生足夠的 粒子數反轉分布,即高能態粒子數足夠的大于處于低能態的粒子數;
 
(2)有一個合適的諧振腔能夠起到反饋作用,使受激輻射光子增生,從而產生激光震蕩;
 
(3)要滿足一定的閥值條件,以使光子增益等于或大于光子的損耗。
 





 
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