§12.4半導體激光器姓名：xxx學號：xxxxx本章主要內容1.激光器2.半導體3.半導體激光器§1.激光器什么是激光器？使入射光得到放大，是核心供給工作物質能量光抽運激光束工作介質泵浦源只讓與反射鏡軸向平行的光束能在激活介質中來回地反射，連鎖式地放大。最后形成穩定的激光輸出。

※1.1激光器工作原理高能態電子束＞低能態電子束同頻同相光→諧振腔內多次往返放大高能態→低能態→同頻率同相位的光發射激光※1.2激光的振蕩閥值

激光工作物質位于諧振腔內，當工作物質的某對能級之間發生粒子數反轉分布時，頻率處在這對能級自發輻射譜線寬度內的微弱光信號，將獲得增益而放大；由于諧振腔內存在各種損耗，光信號在其中傳輸時，又會不斷衰減。

能否產生振蕩,取決于增益與損耗的大小。對光學諧振腔,要獲得光自激振蕩,須令光在腔內來回一次所獲增益,至少可補償傳播中的損耗。

激光振蕩閾值是腔內輻射由自發輻射(熒光)向受激輻射(激光)轉變的轉折點。※1.3激光器的增益和損耗(一)激光器的增益增益系數的定義：光強隨距離的變化：G代表光波在介質中經過單位長度路程光強的相對增長率，也代表介質對光波放大能力的大小。增益：在注入電流的作用下，激活區受激輻射不斷增強。(一)激光器的增益推導可得：其中——反轉粒子數密度——受激輻射截面積可見，激光介質增益系數正比于反轉粒子數密度，其比例系數為受激輻射截面積。正常分布狀態:

熱平衡態下,粒子數按能級的分布為玻爾茲曼分布(二)激光器的損耗1、內部損耗

增益介質內部由于成分不均勻、粒子數密度不均勻或有缺陷而使光產生折射、散射等使部分光波偏離原來的傳播方向，造成光能量的損耗。——內部損耗系數（單位長度的損耗）2、鏡面損耗當強度為I的光波射到鏡面上，其中r1I(或r2I)反射回腔內繼續放大，其它的部分均為損耗，包括t1I(或t2I)、鏡面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束擴散到反射鏡范圍以外造成的損耗，用a1I(或a2I)表示。

r1、r2——反射鏡M1M2的反射率，

t1t2——M1M2的透射率※1.4激光器的閥值條件閾值是所有激光器的屬性，它標志著激光器的增益與損耗的平衡點，即閾值以后激光器才開始凈增益。★獲得激光所要求的雙程放大倍數為：即則形成激光所要求的增益系數的條件為：令§2.半導體半導體，指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少量合適的雜質元素，可得到雜質半導體(P型半導體和N型半導體)。將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區稱為PN結。其電場的方向由N指向P，稱為內電場。P-N結內電場方向※2.1半導體器件的發光機理當如果在PN結上加正向電壓，外電場與內電場的方向相反，擴散與漂移運動的平衡被破壞。外電場驅使P區的空穴進入空間電荷區抵消一部分負空間電荷，同時N區的自由電子進入空間電荷區抵消一部分正空間電荷，于是空間電荷區變窄，形成較大的擴散電流。如右圖所示當外加電場與內電場方向相反時，電子被迫從N區向P區方向集結，當足夠數量的電子能級上升到導帶能級，它們的電子能級就超過了勢壘能級，電子流過P-N結進入P區。此時價帶中有許多空穴存在而導帶中有許多電子存在，這種狀態稱為粒子數反轉。來自導帶的電子失去它的一些能量并下降到價帶時，它們和空穴復合并產生出光子。這種過程稱為復合。在理想情況下，能量完全以光子的形式釋放出來。如果這一過程自發地發生，則該發出的光子能量近似地等于帶隙的能量Eg，所產生的光子在隨機的方向上進行。另一方面，若在復合區有足夠密度的光子存在，則自發發射(或復合)及受激復合兩者都會發生，所產生的受激光子的行進方向和原始光子相同。※2.1半導體器件的發光機理直接復合中一個光子產生一個電子和一個空穴，它們碰撞后又放出一個光子；間接復合中載流子被trapT捕捉到，在trapsite中發生復合，并放出熱。§3.半導體激光器P型N型電流金屬接觸有源層解理面半導體激光器

是用半導體材料作為工作物質的激光器，是一種在電流注入下能夠發出相干輻射光（相位相同、波長基本相同、強度較大）的光電子器件。半導體激光器的結構簡圖工作三要素：受激光輻射、諧振腔、增益大于等于損耗。自發光輻射（發光二極管）

當給器件加正向偏壓時，n區向p區注入電子，p區向n區注入空穴，在激活區電子和空穴自發地復合形成電子-空穴對，將多余的能量以光子的形式釋放出來，所發射的光子相位和方向各不相同，這種輻射叫做自發輻射。受激光輻射（半導體激光器）

在材料設計時，考慮將p區和n區重摻雜等工藝，使得輻射光嚴格在pn結平面內傳播，單色性較好，強度也較大，這種光輻射叫做受激光輻射。※3.1半導體激光器和發光二極管的區別以GaAs半導體激光器為例來說明其基本結構及其發光圖示※3.2半導體激光器的基本結構圖GaAs激光器的結構簡圖※3.3半導體激光器的工作物質由于半導體材料的折射率一般較大，因此反射系數較大，所以兩個與p-n結平面垂直的解理面即構成相互嚴格平行的諧振腔。圖

激光束的空間分布示意圖垂直于結面的兩個平行的晶體解理面形成法布里-珀羅諧振腔，兩個解理面是諧振腔的反射鏡面。在兩個端面上分別鍍上高反膜和增透膜,可以提高激射效率。半導體激光器和普通的發光二極管基本上相同的，兩者的主要差別就是前者有解理面形成的諧振腔。※3.4半導體激光器工作的閥值條件激光器產生激光的前提條件除了粒子數發生反轉還需要滿足閾值條件

增益系數和粒子數反轉的關系也取決于諧振腔內的工作物質在一定的時間間隔內，注入激光器的電子總數與同樣時間內發生的電子與空穴復合數相等而達到平衡。◆要實現電子數的反轉，輸入電流要很高。當電流較小時，此時只發出普通光，當電流增大到某一值時，開始發射出激光，此電流即是閥值電流。※3.5半導體激光器閥值電流的測定

半導體激光器的光譜隨激勵電流而變化，當激勵電流低于域值電流時，發出的光是熒光。

當電流增大到閾值時，發出的光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加。這表明出現了激光。其光譜為分布如右圖所示。由此可見知光譜變窄，單色性增強是半導體激光器達到閾值時的一個特征，因而可通過激光器光譜的測量來確定閾值電流。※3.6半導體激光器的優點及應用半導體激光的應用十分廣泛，如激光切割，激光焊接，激光打標，激