關于半導體激光器第一頁，共六十一頁，2022年，8月28日半導體激光器是以直接帶隙半導體材料構成的PN結或PIN結為工作物質的一種小型化激光器。其工作原理是受激輻射，利用半導體物質在能帶間躍遷發光，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。半導體激光工作物質有幾十種，目前已制成激光器的半導體材料有砷化稼（GaAs）、砷化銦（InAs）、氮化鎵（GaN）、銻化銦（InSb）、硫化鎘（Cds）、蹄化鎘（CdTe）、硒化鉛（PbSe）、啼化鉛（PhTe）、鋁鎵砷（A1xGaAs）、銦磷砷（In-PxAs）等。第二頁，共六十一頁，2022年，8月28日半導體激光器件，可分為同質結、單異質結、雙異質結等幾種。同質結激光器和單異質結激光器室溫時多為脈沖器件，而雙異質結激光器室溫時可實現連續工作。

半導體激光器的激勵方式主要有電注人式、光泵浦式和高能電子束激勵式三種。絕大多數半導體激光器的激勵方式是電注人，即給PN結加正向電壓，以使在結平面區域產生受激發射，也就是說是個正向偏置的二極管，因此半導體激光器又稱為半導體激光二極管。對半導體來說，由于電子是在各能帶之間進行躍遷，而不是在分立的能級之間躍遷，所以躍遷能量不是個確定值，這使得半導體激光器的輸出波長分布在一個很寬的范圍上。它們所發出的波長在0.3-34μm之間。其波長范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見的是AlGaAs雙異質結激光器，其輸出波長為750-890nm。第三頁，共六十一頁，2022年，8月28日世界上第一只半導體激光器是1962年問世的，經過幾十年來的研究，半導體激光器得到了驚人的發展，它的波長從紅外、紅光到藍綠光，被蓋范圍逐漸擴大，各項性能參數也有了很大的提高，其制作技術經歷了由擴散法到液相外延法（LPE），氣相外延法（VPE），分子束外延法（MBE），MOCVD方法（金屬有機化合物汽相淀積），化學束外延（CBE）以及它們的各種結合型等多種工藝。第四頁，共六十一頁，2022年，8月28日半導體激光器其激射閾值電流由幾百mA降到幾十mA，直到亞mA，其壽命由幾百到幾萬小時，乃至百萬小時。從最初的低溫（77K）下運轉發展到在常溫下連續工作，輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級（陣列器件）。它具有效率高、體積小、重量輕、結構簡單、能將電能直接轉換為激光能、功率轉換效率高（已達10%以上、最大可達50%）、便于直接調制、省電等優點，因此應用領域日益擴大。目前，固定波長半導體激光器的使用數量居所有激光器之首，某些重要的應用領域過去常用的其他激光器，已逐漸為半導體激光器所取代。第五頁，共六十一頁，2022年，8月28日半導體激光器最大的缺點是：激光性能受溫度影響大，光束的發散角較大（一般在幾度到20度之間），所以在方向性、單色性和相干性等方面較差。但隨著科學技術的迅速發展，半導體激光器的研究正向縱深方向推進，半導體激光器的性能在不斷地提高。目前半導體激光器的功率可以達到很高的水平，而且光束質量也有了很大的提高。以半導體激光器為核心的半導體光電子技術在21世紀的信息社會中將取得更大的進展，發揮更大的作用。第六頁，共六十一頁，2022年，8月28日光學諧振腔與激光器的閾值條件激光器穩定工作的必要條件:（1）粒子數反轉產生增益

粒子數反轉（populationinversion）是產生激光的前提。一個原子可以在不同的能級之間躍遷。在通常情況下，因為熱力學的平衡態服從波爾茲曼分布律，使得處于基態（最低能級）的原子數遠遠多于處于激發態（較高能級）的原子數，這種情況得不到激光。為了形成足夠的激發輻射，得到激光，就必須用一定的方法去激發原子群體，使亞穩態上的原子數目超過基態上的。該過程稱為粒子數的反轉。第七頁，共六十一頁，2022年，8月28日（2）提供光的反饋——解理面其中最簡單的是法布里——珀羅腔圖2.2.1-1激光二極管的諧振腔注入電流有源區解理面解理面L增益介質R1R2z=0z=L（晶體中易于劈裂的平面稱為“解理面”。凡顯露在晶體外表的晶面往往是一些解理面。）第八頁，共六十一頁，2022年，8月28日在PN結上施加正向電壓，產生與內部電場相反方向的外加電場，結果能帶傾斜減小，擴散增強。電子運動方向與電場方向相反，便使N區的電子向P區運動，P區的空穴向N區運動，最后在PN結形成一個特殊的增益區。

粒子數反轉分布的產生：增益區的導帶有大量的電子，價帶大量是空穴，在電子和空穴擴散過程中，導帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復合，產生自發輻射光。這種光發射的范圍寬、不集中、效率低。要真正實現粒子數反轉以發射激光，必須對載流子及發射光施加附加的限制——異質結的引入。異質結（DH：Double-Heterostructure）：就是由帶隙寬度及折射率都不同的兩種半導體材料構成的PN結。第九頁，共六十一頁，2022年，8月28日獲得粒子數反轉分布圖2.2.1-2DH激光器工作原理（a）雙異質結構；（b）能帶；（c）折射率分布；（d）光功率分布（d）Pn～5%折射率（c）復合空穴異質勢壘E電子能量（b）PGa1-xAl

xAsPN+（a）-GaAsGa1-yAl

yAs不同于常規激光出射波段單一，半導體激光的發光特點決定了出射波段非常豐富。第十頁，共六十一頁，2022年，8月28日

"fortheirresearchesonsemiconductorsandtheirdiscoveryofthetransistoreffect"WilliamShockley

JohnBardeen

WalterHouserBrattain

獲獎評語：現代信息技術近幾十年深刻改變了人類社會，它的發展必須具備兩個簡單但又是基本先決條件：一是快速，二是體積小，而這項發明滿足了這兩個要求。第十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日A.愛因斯坦對現物理方面的貢獻，特別是闡明光電效應的定律1921諾貝爾物理學獎第十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日A.M.普洛霍羅夫在量子電子學中的研究工作導致微波激射器和激光器的制作

1964諾貝爾物理學獎第十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日1964C.H.湯斯在量子電子學的基礎研究導致根據微波激射器和激光器原理構成振蕩器和放大器1964諾貝爾物理學獎第十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日N.G.巴索夫

用于產生激光光束的振蕩器和放大器的研究工作1964諾貝爾物理學獎第十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日半導體激光器研究前沿垂直于有源層方向上運動的載流子動能可量子化成分立的能級，這類似于一維勢阱的量子力學問題，因而這類激光器叫做量子阱激光器。夾于寬帶隙半導體（如GaAlAs）中間的窄帶隙半導體（如GaAs）起著載流子（電子和空穴）陷阱的作用，一般的半導體激光器其厚度約為100～200nm，但隨著有源層厚度的減小，如5～10nm，載流子在垂直于有源層方向上出現量子效應，即出現量子化分立能級，稱之為量子阱激光器。這種激光器發光效率更高，電流閾值更小，出射光單色性更好。ΔECE3CE2CE1CΔEVE1VE2VE3V導帶價帶LxE1VE2VEg(GaAlAs)hvEg(GaAs)第十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日光學諧振腔與激光器的閾值條件只有當增益等于或大于總損耗時，才能建立起穩定的振蕩，這一增益稱為閾值增益。為達到閾值增益所要求的注入電流稱為閾值電流。一個縱模只有在其增益大于或等于損耗時，才能成為工作模式，即在該頻率上形成激光輸出。有2個以上縱模激振的激光器，稱為多縱模激光器。通過在光腔中加入色散元件等方法，可以使激光器只有一個模式激振，這樣的激光器稱為單縱模激光器。增益曲線損耗vI第十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日§2.2.2半導體激光器的結構§2.2.2半導體激光器的結構最簡單的半導體激光器由一個薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構成，如圖所示。圖2.2.2-1

大面積半導體激光器電流金屬接觸P型N型有源層300μm200μm100μm解理面第十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日這樣的激光器面積大，稱為大面積激光器。為解決側向輻射和光限制問題，實際的激光器采用了增益導引型和折射率導引型結構。第十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日圖2.2.2-2增益導引型半導體激光器一、增益導引型半導體激光器解決光限制問題的一種簡單方案是將注入電流限制在一個窄條里，這樣的激光器稱為條形半導體激光器，其結構如圖所示。將一絕緣層介質（SiO2）淀積在P層上，中間敞開以注入電流。由于光限制是借助中間條形區的增益來實現的，這樣的激光器稱為增益導引型半導體激光器。絕緣介質P-InGaAsPInGaAsPP-InPN-InPN+-InP襯底第二十頁，共六十一頁，2022年，8月28日二、折射率導引型半導體激光器通過在側向采用類似異質結的設計而形成的波導，引入折射率差，也可以解決在側向的光限制問題，這種激光器稱為折射率導引型半導體激光器。圖2.2.2-3折射率導引型半導體激光器接點N-InPN+-InP襯底SiO2SiO2P-InPInGaAsP有源層第二十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日§2.2.3半導體激光器的特性一、光譜特性圖2.2.3-1GaAIAs雙異質結激光器的光譜特性示意圖圖為GaAIAs雙異質結激光器的光譜特性。波長取決于激光器的光學腔長，稱為激光器的縱模。驅動電流增大→

→832830828826824832830828826824832830828826824當驅動電流足夠大時，多縱模變為單縱模，稱為靜態單縱模激光器。第二十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日二、*激光束的空間分布近場是指激光器反射鏡面上的光強分布，遠場是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。由于激光腔為矩形光波導結構，因此近場分布表征其橫模特性，在平行于結平面的方向，光強呈現周期性的空間分布，稱為多橫模；在垂直于結平面的方向，由于諧振腔很薄，這個方向的場圖總是單橫模。第二十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日三、轉換效率與輸出光功率特性由此得到式中，P和I分別為激光器的輸出光功率與驅動電流，Pth和Ith分別為對應的閾值，hf與e分別為光子能量與電子電荷。（）（）激光器的電——光轉換效率用外微分量子效率ηd表示，其定義為在閾值電流以上，每對復合載流子產生的光子數。第二十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日

激光器的輸出光功率通常用P-I曲線表示，圖為典型LD的光功率特性曲線。當時，激光器發出的是自發輻射光，當時，發出的是受激輻射光，光功率隨驅動電流的增加而增加。圖2.2.3-3典型LD的光功率特性曲線543210050100I

/mA發射光功率P/mW第二十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日

四、溫度特性溫度變化將改變激光器的輸出光功率，有兩個原因：一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率隨溫度升高而減小。圖2.2.3-4給出了LD的P-I曲線隨溫度變化的實例。圖2.2.3-4LD的P-I曲線隨溫度的變化發射光功率P/mW543210050100I

/mA22℃50℃70℃第二十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日§2.2.4LD的應用

一、光纖通信系統的光源二、光學測量系統的光源三、其他應用目前已開發出并投放市場的半導體激光器的波段有370nm、390nm、405nm、430nm、480nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中1310nm、1550nm主要用于光纖通訊領域。405nm-670nm為可見光波段，780nm-1550nm為紅外光波段，390nm-370nm為紫外光波段。第二十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日半導體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉換效率高、功耗低、驅動電源簡單、能直接調制、結構簡單、價格低廉、使用安全、其應用領域非常廣泛。如光存儲、激光打印、激光照排、激光測距、條碼掃描、工業探測、測試測量儀器、激光顯示、醫療儀器、軍事、安防、野外探測、建筑類掃平及標線類儀器、實驗室及教學演示、舞臺燈光及激光表演、激光水平尺及各種標線定位等。半導體激光器的一些獨特優點使之非常適合于軍事上的應用，如野外測距、槍炮等的瞄準、射擊模擬系統、致盲、對潛通信制導、引信、安防等。由于可用普通電池驅動，使一些便攜式武器設備配置成為可能。第二十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日舞臺燈第二十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日第三十頁，共六十一頁，2022年，8月28日第三十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日半導體激光刻字機脈沖激光打標機激光打印機激光切割雕刻機第三十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日激光焊機（圖）模具激光燒焊機激光打孔機第三十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日激光燈激光表演第三十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日激光金屬焊接機激光角度測量儀激光拉曼光譜儀第三十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日激光筆第三十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日分辨瞄準儀激光投線儀激光指向儀激光定位準直儀第三十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日條形碼光驅CD機激光頭第三十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日醫用半導體激光器激光外科半導體激光治療機第三十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日阿波羅登月探測激光雷達機載激光武器第四十頁，共六十一頁，2022年，8月28日激光制導第四十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日反艦巡航導彈戰斧式陸射巡航導彈第四十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日激光槍第四十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日激光炮第四十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日第四十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日激光武器第四十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日激光武器第四十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日激光武器第四十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日美國波音公司用于反導的機載激光武器系統。第四十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日

脈沖激光測距利用了激光的方向性強、能量時空相對集中的優點。脈沖激光測距在有反射器的情況下(見下圖，在2處裝有反射器)，可以達到極遠的測程。

在1處產生的激光，經過待測的路程射向2處。在2處裝有向1處反射的裝置，1處至2處間的距離D是待測的。如果在1處有一種裝置，它能夠測出脈沖激光從1處到達2處再返回1處所需要的時間t，則

D=ct/2

式中