第3章 光源光电器件 3.3节

3.3激光光源激光光源的优点—方向性强、单色性好、相干性好、光亮度高等。激光器的分类1.按激光器工作物质的种类分固体激光器气体激光器液体激光器半导体激光器2.按激光器工作方式分连续型激光器超短脉冲型激光器脉冲型激光器Q突变型激光器3.3.1半导体激光器的分类半导体激光器，也称激光二极管(LaserDiode，简称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1.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垂直腔表面发射半导体激光器2.从结型看同质结激光器异质结激光器3.从制造工艺看一般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4.从阵列看单元阵列一维线阵列二维面阵列5.从发光的光谱看可见光半导体激光器非可见光半导体激光器3.3.2激光的产生机理激光的产生机理一般涉及受激辐射、粒子数反转与谐振三个关键问题。1.自发辐射与受激辐射设E1为基态能级，E2为激发态能级。在常温下大部分电子处于基态。当原子在E1与E2两个能级之间跃迁时将产生自发辐射、受激辐射和受激吸收三个基本过程。自发辐射的特点每个原子的跃迁是独立的自发进行的，它们彼此毫无关系，因而发出的辐射是杂乱无章的非相干光。自发辐射的寿命就是原子处于激发态的平均时间，一般在10-9~10-3s。图3-24原子的自发辐射、受激辐射和受激吸收示意图产生激光的必要条件:受激辐射占主导地位2.粒子数反转--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。即把载流子的正常分布倒转过来，称为粒子数的反转或粒子分布的反转状态。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：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；半导体激光器采用注入载流子的方法。3.谐振腔※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“共振”现象。通常将能使光产生“共振”的装置称为“共振腔”或“谐振腔”。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外，只有与轴线平行的自发辐射光子才能产生“共振”现象而被增强，形成受激辐射。※产生激光的又一个必要条件——谐振腔※产生稳定的振荡条件：共振腔的长度L恰好等于辐射光半波长的整数倍，即（3-9）式中，n为与波长λ相关的介质折射率；m为正整数。对于不同的m值，将有不同波长的驻波相对应。※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。※纵模频率谐振腔的谐振频率纵模频率可表示为v=mc/2nL（3-10）纵模频率v只与腔体长度L及介质材料的折射率n有关。与其他参数无关。※获得激光输出的3个必要条件为：①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；②要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗；③有一个谐振腔为出射光子提供正反馈极高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡※法布里-珀罗腔在半导体激光器中，两端的解理面起到反射镜的作用。图3-24所示为不需外加反射镜的法布里—珀罗腔光学谐振腔。图3-24法布里-珀罗光学谐振腔解理面作为反射镜的反射率为（3-11）式中，n′为增益介质的折射率，其典型值为3.5，解理面的反射率为30%。阈值增益——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。阈值电流——为达到阈值增益所要求的注入电流。设一振幅为E0，频率为ω，波数K=nω/c的平面波，在长度为L、功率增益系数为g的光腔中往返一次后，其振幅将增大到exp[(g/2)(2L)]倍，相位变化为2KL，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R1、R2为端面反射率，αint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E0应保持不变。即（3-12）令等式两边振幅和相位分别相等，则得（3-13）（3-14）式中，K=2πnv/c，m为整数。※激光稳定工作的条件——振幅条件和相位条件。振幅条件——规定增益和电流的最小值相位条件——规定激光器的振荡频率v必为v=mc/2nL中的一个频率。这些频率对应于纵向模式（简称纵模），并与光学谐振腔的长度有关。一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。多（纵）模激光器--有2个以上纵模激励的激光器。单（纵）模激光器—在谐振腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激励。图3-25激光器纵模分布及增益曲线3.3.3半导体激光器半导体激光器有电子束激励式注入式—应用最普遍1.PN结型二极管注入式激光器⑴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成，即激发装置（泵源）工作物质谐振腔激光器的结构图3-26结型半导体激光器结构原理结型激光器所用的半导体材料是重掺杂半导体。平衡态时，P区价带顶没有电子，N区导带底有高浓度的电子。图3-27结型激光器的能带结构当外加电压足够大(qU≥Eg)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，这就是发射激光的工作区。再加上端面反射的反馈便会产生激光。图3-27结型激光器的能带结构⑵主要特性①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，而且还要超过光子在结区的损耗率，以抵偿吸收与损耗的光子。Ith为阈值电流-达到阈值增益时注入的电流密度。图3-28激光器的输出特性曲线影响阈值的因素实验条件——衬底相同、共振腔的长度不同时，在不同温度下进行实验。a.Ith与激光器长度L有关，激光器长度L越大，Ith越小；b.Ith与二极管表面反射率有关；c.Ith与结区表面透过损耗有关；d.Ith与结区附近物质的吸收损耗有关；图3-29典型GaAs激光器的阈值电流Ith与腔长的关系e.Ith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Ith随掺杂浓度而增大，在高温下与T3成正比；要达到同一增益，低温下所需的Ith小，高温下所需的Ith大，所以半导体激光器多在低温下使用；f.Ith与单轴向压力(指在一个轴的方向上加压力)有关，Ith随单轴向压力增大而减小；g.Ith外加磁场有关，Ith随外加磁场强度的增大明显减小，并趋于稳定值。半导体激光器的阈值电流都比较大。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。②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，激光频率--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。图3-30GaAs激光器光谱分布曲线2.异质结激光器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。⑴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，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8000A/cm2，但也只能实现室温下的脉冲振荡。图3-31单异质结激光器的能带结构⑵双异质结激光器双异质结激光器的阈值电流进一步降低到1000~3000A/cm2，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。图3-32双异质结激光器的能带结构3.半导体激光器的应用半导体激光器自1962年问世以来，发展极为迅速。特别是进入20世纪80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LD条和LD堆为代表的高功率半导体激光器品种繁多。LD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广泛应用，大功率LD可用于医疗、加工和作为固体激光器的泵浦源等。