半导体激光器的工作特性

工作三要素：
01
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
02
半导体激光器工作原理
02
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫做受激光辐射。
条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激光器(普通条形)和折射率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。
”
增益波导条形激光器 (普通条形)
特点：只对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散有限制作用，对光波侧向渗透没有限制作用。 我们的808大功率激光器属于这种结构：把p+重掺杂层光刻成条形，限制电流从条形部分流入。但是在有源区的侧向仍是相同的材料，折射率是一样的，对光场的侧向渗透没有限制作用，造成远场双峰或多峰、光斑不均匀，同时阈值高、光谱宽、多纵摸工作，有时会出现扭折问题。
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
采用MOCVD方法制备外延层，外延层包括缓冲层、限制层、有源层、顶层、帽层。有源层包括上下波导层和量子阱。
有源层的带隙比P型和N型限制层的小，折射率比它们大，因此由P面和N面注入的空穴和电子会限制在有源区中，它们复合产生的光波又能有效地限制在波导层中。大大提高了辐射效率。
最上面的一层材料（帽层）采用高掺杂，载流子浓度高，目的是为了与P面金属电极形成更好的欧姆接触，降低欧姆体激光器器件制备
大片工艺包括：材料顶层光刻腐蚀出条形、氧化层制备光刻、P面和N面电极制备、衬底减薄。 条形结构：在平行于结平面方向上也希望同垂直方向一样对载流子和光波进行限制，因此引进了条形结构。 条形结构的优点： 1. 使注入电流限制在条形有源区内，限制载流子的侧向扩散， 使 阈值电流降低； 2. 有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传递而逸散，提高器件的散热性能； 3. 有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性； 4. 器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。

半导体激光治疗仪工作原理半导体激光治疗仪是一种利用激光光源进行医疗治疗的设备，常用于皮肤美容、生物医学和物理治疗等领域。

其工作原理涉及到激光的生物效应和治疗机制。

以下是半导体激光治疗仪的一般工作原理：1.激光发射：半导体激光治疗仪使用半导体激光器（如激光二极管）作为光源。

当电流通过半导体激光器时，会激发半导体内的电子，导致光子的产生，从而产生激光。

2.激光特性选择：激光器产生的激光具有单色性、相干性和方向性。

这使得激光能够以高度聚焦的方式传递到治疗区域，同时减少对周围组织的影响。

3.生物效应：激光在生物组织中的作用可以通过光生物学效应来解释。

这包括光热效应（光能被组织吸收并转化为热能）、生物刺激效应（对生物体细胞和组织有促进作用）、生物抑制效应（对生物体细胞和组织有抑制作用）等。

4.治疗目标选择：半导体激光治疗仪的治疗目标通常是生物体组织中的某些分子或细胞。

不同的波长和能量的激光可以选择性地影响不同的生物分子，实现不同的治疗效果。

5.治疗过程：在治疗过程中，患者暴露于激光束中，激光通过皮肤表面，照射到目标组织。

激光的能量被目标组织吸收，从而引起一系列生物效应，如促进细胞代谢、减轻炎症、促进愈合等。

6.控制参数：半导体激光治疗仪通常具有可调节的参数，如激光功率、脉冲频率、脉宽等，以便医疗专业人员根据患者的具体情况进行个性化的治疗。

总体而言，半导体激光治疗仪通过激光的生物效应，以非侵入性的方式对生物组织进行治疗。

然而，在实际应用中，具体的治疗机制和效果会受到多种因素的影响，包括激光参数的选择、治疗区域的性质等。

因此，在使用半导体激光治疗仪时，需要经过专业人员的评估和指导。

半导体激光器的工作原理及应用摘要：半导体激光器产生激光的机理，即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。

由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。

从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。

关键词：受激辐射；光场；同质结；异质结；大功率半导体激光器The working principle of semiconductor lasers and applications ABSTRACT: The machanism of lasing by semiconductor laser,which requires set up specially designated reverse of beam of particles among energy stages,and appropriate optical syntonic coelenteronAs the specificity of structure from semiconductor and moving electrons.something interesting happens.On the one hand,the specific process in producing lase,on the other hand,the beam of light has unique advantages。

As the reasons above,we can easily found it all quartersof the society.From homojunction to heterojunction,from informatics to power,the advantages of laser are in evidence,the wide spectrum,the semiconductor open the epoch in the process of laser. Key worlds: stimulated radiation; optical field; homojunction; heterojunction; high-power semiconductor laser 0 前言半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。

半导体激光器实验报告摘要：本文旨在通过对半导体激光器的实验研究，探索其基本原理、结构和性能，并分析实验结果。

通过实验，我们了解了激光器的工作原理、调制和控制技术以及其应用领域。

在实验过程中，我们测量了激光器的输出功率、光谱特性和波长调制特性等参数，并对实验结果进行了分析和讨论。

1.引言半导体激光器是一种利用半导体材料作为活性介质来产生激光的器件。

由于其小尺寸、高效率和低成本等优点，半导体激光器被广泛应用于通信、光存储、医学和科学研究等领域。

本实验旨在研究不同结构和参数的半导体激光器的性能差异，并通过实验数据验证理论模型。

2.实验原理2.1 半导体激光器的基本结构半导体激光器由活性层、波导结构和光学耦合结构组成。

活性层是激光器的关键部分，其中通过注入电流来激发电子和空穴复合形成激光。

波导结构用于限制光的传播方向，并提供反射面以形成光腔。

光学耦合结构用于引导激光光束从激光器中输出。

2.2 半导体激光器的工作原理半导体激光器利用注入电流激发活性层中的电子和空穴，使其发生复合并产生激光。

通过适当选择材料和结构参数，使波导结构中的光在垂直方向形成反射，从而形成光腔。

当光经过活性层时，激发的电子和空穴产生辐射跃迁，并在激光器中形成激光。

随着光的多次反射和放大，激光逐渐增强，最终从光学耦合结构中输出。

3.实验步骤3.1 实验器材本实验使用的主要器材有半导体激光器装置、电源、光功率计、多道光谱仪等。

3.2 实验过程首先，将半导体激光器装置与电源连接，并通过电源控制激光器的注入电流。

然后，使用光功率计测量激光器的输出功率，并记录相关数据。

接下来，使用多道光谱仪测量激光器的光谱特性，并记录各个波长的输出光功率。

最后，调节激光器的注入电流，并测量波长调制特性。

完成实验后，对实验数据进行分析和讨论。

4.实验结果与分析通过实验测量，我们得到了半导体激光器的输出功率、光谱特性和波长调制特性等数据，并对其进行了分析。

实验结果显示，随着注入电流的增加，激光器的输出功率呈现出递增趋势，但当电流达到一定值后，增长速度逐渐减慢。

半导体激光器实验报告半导体激光器实验报告引言：半导体激光器是一种重要的光电子器件，具有广泛的应用领域，如通信、医疗、工业等。

本实验旨在通过搭建实验装置，研究半导体激光器的工作原理和性能特点，并探索其在光通信领域的应用。

实验一：激光器的工作原理激光器的工作原理是基于光放大和光反馈的原理。

在实验中，我们使用一台半导体激光器，通过电流注入激发半导体材料，产生光子。

这些光子在激光腔中来回反射，不断受到增益介质的放大，最终形成激光束。

实验装置中的关键组件包括半导体激光器、激光腔、准直器和光探测器。

半导体激光器通过电流注入，激发载流子跃迁，产生光子。

光子在激光腔中来回反射，经过准直器调整光束的方向，最后被光探测器接收。

实验二：激光器的性能特点在实验中，我们测试了激光器的输出功率、波长和光谱宽度等性能指标。

通过改变注入电流和温度等参数，我们研究了激光器的输出特性。

首先，我们测试了激光器的输出功率。

通过改变注入电流，我们观察到激光器输出功率随电流增加而增加的趋势。

然而，当电流达到一定值后，激光器的输出功率不再增加，甚至出现下降。

这是由于激光器的光子数饱和效应和损耗机制导致的。

其次，我们测量了激光器的波长。

通过调节激光腔的长度，我们观察到激光器的波长随腔长的变化而变化。

这是由于激光腔的谐振条件决定了激光器的输出波长。

最后，我们研究了激光器的光谱宽度。

通过光谱仪测量激光器的光谱分布，我们发现激光器的光谱宽度与注入电流和温度有关。

随着注入电流的增加和温度的降低，激光器的光谱宽度变窄，光纤通信系统中要求的窄光谱宽度可以通过适当的调节实现。

实验三：半导体激光器在光通信中的应用半导体激光器在光通信领域有着重要的应用。

我们通过实验研究了激光器在光纤通信中的应用。

首先，我们将激光器的输出光束通过光纤传输。

通过调节激光器的输出功率和波长，我们实现了光纤通信中的光信号传输。

通过光探测器接收光信号，并通过示波器观察到了传输过程中的光信号波形。

半导体激光器的能级系统1.引言1.1 概述概述半导体激光器是一种利用半导体材料的能级系统来产生激光的器件。

它是现代光电子技术领域中非常重要的一种光源，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。

半导体激光器的能级系统是其产生激光的关键部分。

在半导体材料中，存在多个能级，通过在这些能级之间跃迁产生光子，从而形成激光。

半导体材料是一种带有间隙的材料，其能带结构对其电学和光学性质起着至关重要的作用。

半导体材料可分为价带和导带，价带上的能级被电子占据，而导带上的能级则是未被电子占据的。

当激发能量传递给半导体材料时，电子可以从价带跃迁到导带上的空能级，形成电子空穴对。

这种跃迁称为光吸收。

然而，光吸收只是半导体激光器能级系统的一部分。

要产生激光，还需要在半导体材料中形成一种称为反转粒子的状态。

反转粒子是指半导体材料中导带上粒子数目大于价带上的粒子数目，即导带发射激光。

然而，由于材料本身的特性，导带上的粒子会很快地回到价带，这导致了反转粒子的损失。

为了解决这个问题，半导体激光器可以通过引入外界能量，如电流注入或光束照射，来保持导带上粒子数目的超过价带上的粒子数目，从而形成反转粒子状态。

在这种状态下，当一个光子激发到导带上的粒子时，它会引发一系列级联的，相干的光子发射，并最终形成激光。

半导体激光器的能级系统是实现激光发射的重要基础。

通过对其能级结构的深入研究，可以对半导体激光器的工作原理和性能进行深入理解。

因此，对半导体激光器能级系统的研究具有重要的科学和应用价值。

1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括以下方面：本文主要围绕半导体激光器的能级系统展开论述，以便深入理解半导体激光器的工作原理及其应用。

文章分为引言、正文和结论三个部分。

引言部分首先对半导体激光器进行了概述，介绍了该领域的研究背景和重要性。

然后，简要说明了文章的结构安排，以便读者可以清晰地了解整篇文章的布局和内容。

最后，明确了本文的目的，即探讨半导体激光器的能级系统，为读者提供相关的理论知识和应用指导。

图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
③在重掺杂P型半导体中，费米能级向下移到价带中，低于费米能级的能带被电子 填满，高于费米能级的能态都是空的，价带中出现空穴——P型简并半导体 (图c);
④在重掺杂N型半导体中，费米能级向上移到导带中，低于费米能级的能带被电子填 满，高于费米能级的能态都是空的，导带中也有自由电子——N型简并半导体 (图e);
满带：若能带中各个能级全部被电子填满，则称为满带。 非满带：若能带中只有一部分能级填入电子，则称为非满带。 空带：若能带中各个能级都没有电子填充，则称为空带。 价带：价电子的能级所分裂而形成的能带称为价带。 导带：空带和未被价电子填满的价带称为导带。
二、绝缘体、导体和半导体
1、绝缘体
导带（空带）
能带的特征：（1）只有满带和空带；（2）满 带和空带之间有较宽的禁带，禁带宽度一般大 于3eV。（约3～6 eV）
Si Si Si Si
Si Si
+ B
Si
N型半导体（电子型）：
四价元素Si，Ge，掺五价元 素P，Sb，Td
导带 施主能级
价带
五价原子将在代替四价元素的原子，多出的一个价电子只在杂质离子的电场
范围内运动。杂质原子称为施主原子，相应的杂质能级称为施主能级。量子
力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处, 极易形成电子
对于重掺杂的 GaAs P－N 结，在P－N 结的附近，导带中有电子而价带中有空穴， 这一小段区域称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并 在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光子的激发下 跃迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大 于受激吸收光子的速率。

激光器发射光功率
p
激光器辐射的光功率 激光器消耗的电功率
VjI
Pex I 2Rs
激光器结电压
激光器串联电阻
注入电流
4.2.6 半导体激光器的基本特性
3.激光器效率 (b)内量子效率
内量子效率I=
有源区内每秒钟产生的光子数 有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数
(c)外量子效率
外量子效率ex= 有源区内每秒钟发射的光子数
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性
(1) 峰值波长 在规定输出光功率时，激光光谱内强度最大的光谱波长被定 义为峰值波长。
(2)中心波长
在光源的发射光谱中，连接50％最大幅度值线段的中点所对 应的波长称为中心波长
(3)谱宽与线宽 包含所有振荡模式在内的发射谱总的宽度称为激光器的谱宽； 某一单独模式的宽度称为线宽。
激光器组件是指在一个紧密结构中（如管壳中），除激光二极管（LD） 芯片外，还配置其他元件和和实现LD工作必要的少量电路块的集成器 件。主要包括：
(1)光隔离器：其作用是防止LD输出的激光反射，实现光的单向传输。 位于LD的输出光路上；
(2)监视光电二极管（PD）：其作用是监视LD的输出功率变化，通常用 于自动功率控制。位于LD背出光面；
64 56
80o 40o 0
40o 80o
角度
垂直于结平面方向
I =80mA 72
64 60
56
40o 20o 0
20o 40o
角度
平行于结平面方向
4.2.5 半导体激光器的模式
2．纵模的概念与性质
4.2.5 半导体激光器的模式
1)纵模数随注入电流变化
当激光器仅注入直流电流时， 随注入电流的增加纵模数减少 。

.
Free Electron Si
P型半导体（C）
将3价原子（硼、镍、铟等 ）掺入本征半导体中， 则 将多余出空穴数目，形成p 型半导体。空穴为主要载流 子，电子为次要载流子。 因为3价原子可以提供接纳 电子的空穴，故称为受主杂 质（Acceptor impurity). 它的费米能级EF下降到价带 之中，因此价带顶部与导带 都是空穴、EF之下的价带才 充满电子。
(5.2 10)
111 mr mv mc
(5.2 11)
mr 减小的有效质量
d k dk,
mr
1
k
(
Eg
)
1 2
2mr 2
2
由 (15.1 5)式
(k )dk
k 2V 2
dk
可得，
(k)dk ＝ V
k2 2
dk＝
mr
k
d ,
(0
)＝
0
(
E
g
)
1 2
2mr 2
1
2
mr20 T2 fc () fv () 24n2 1＋ 0 2 T22
本征半导体（A）
本征半导体的能级图。上园弧线表示 导带—上能级(EC) 、下弧线表示价带 —下能级(EV)。当本征本导体温度为0 K时，其费米能级EF处在导带与价带的 中间。这意味着EF以下的价带被电子 占满故也称为满带，而EF以上的导带 都是空的没有被电子填充。本征半导 体内部电子密度与空穴密度相等。 最理想的本征半导体是由一种物质的 原子组成的纯净物，如硅、锗等。化 合物GaAs也属于本征半导体。
被B asov、B ernard、Duraf f oug首次发现。
图5 6 在某一确定的抽运强度 N下， 典型的增益 (0 )频率关系曲线

半导体激光器_实验报告【标题】半导体激光器实验报告【摘要】本实验主要通过实际操作和测量，研究半导体激光器的工作原理和性能特点。

通过改变电流和温度等参数，观察激光器的输出功率和波长、发散角度等特性的变化，并分析其与激光器内部结构和材料特性之间的关系。

【引言】半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高等优点，在光通信、激光加工、医疗等领域有广泛应用。

了解半导体激光器的工作原理和特性对于深入理解其应用具有重要意义。

【实验内容】1. 实验器材与仪器准备：准备半导体激光器、电源、温度控制器、功率测量仪等实验设备。

2. 实验步骤：a. 连接电源和温度控制器，调节温度至设定值。

b. 调节电流，记录相应的激光器输出功率。

c. 测量激光器的输出波长和发散角度。

d. 分析激光器输出功率、波长和发散角度等特性随电流和温度变化的规律。

【实验结果】1. 实验数据记录：记录不同电流和温度下的激光器输出功率、波长和发散角度数据。

2. 实验结果分析：a. 输出功率与电流和温度的关系。

b. 输出波长与电流和温度的关系。

c. 发散角度与电流和温度的关系。

【讨论】根据实验结果，结合半导体激光器的内部结构和材料特性，讨论激光器输出功率、波长和发散角度等特性与电流和温度的关系。

分析激光器的工作原理和性能特点，并讨论其在实际应用中的优缺点。

【结论】通过实验，我们深入了解了半导体激光器的工作原理和性能特点。

通过调节电流和温度等参数，可以控制激光器的输出功率、波长和发散角度等特性。

半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高等优点，但也存在一些限制，如温度敏感性较强。

最后，我们对半导体激光器的应用前景进行了展望。

高斯光速的准直 利用自聚焦透镜准直半导体激光束
激光器的单纵模工作条件
第q阶模与主模功率之比为：
Pq
1
P0 1 (Po / Pqsat )
要想得到近乎单纵模输出，必须使Pq/P0尽可能小。
从图中可以看出短腔长和高腔面反射率，都有利于使 激光器单模工作。
以（P1/P0）≦0.05作为激光器单模工作的判据，由边 模抑制比
1）增益系数 2）载流子的俄歇复合，载流子的界面态和表面态的复合，载流子的吸收引起的
内部损耗 3）热载流子的泄露
半导体激光器的效率
描述激光器电子--光子转换的效率，即电能转换为光能的效率。
分别用功率效率和外微分量子效率描述。
1）功率效率
p

激光器所发射的光功率 激光器所消耗的电功率
Pex IV I 2rs
/ )2
式中，n2和d分别为激光器有缘层的折射率和厚度； n1为限制层的折射率；λ为激射波长
理想的高斯场分布
半导体激光器的光束发散角
显然，当d很小时，可忽略上式分 母中的第二项，有
4.05(n22 n12 )d
可见，ө随d的增加而增加
半导体激光器发散角与有缘层厚度的关系
解决办法：利用自聚焦透镜对出射光进行准直
归一化输出与调制频率的关系
半导体激光器的动态特性
张弛振荡与类谐振现象物理机制不同，但几乎有和共振频率相同的振荡频率， 为了抑制这两类现象，已实践过这两类方法：
1）外部光注入，能有效增加自发发射因子，不但能抑制张弛振荡，还能抑制 多纵模的出现。
2）自反馈注入或采用外部电路。自注入方法是将LD输出的一部分以张弛振荡 周期的0.2~0.3倍的时延再注入到它本身的腔内，能有效抑制张弛振荡。采用 外部LCR滤波电路来分流高频分量，进而抑制类谐振现象。

光信息专业实验指导材料（试用）实验5－1 半导体激光器的特性测试[实验目的]1、通过测量半导体激光器工作时的功率、电压、电流，画出P-V、P-I、I-V曲线，让学生了解半导体的工作特性曲线；2、学会通过曲线计算半导体激光器的阈值，以及功率效率，外量子效率和外微分效率，并对三者进行比较；3、内置四套方波信号或者外加信号直接调制激光器，通过调整不同的静态工作点，和输入信号强度大小不同，观察到截至区，线性区，限流区的信号不同响应（信号畸变，线性无畸变），了解调制工作原理。

[实验仪器]实验室提供：半导体激光器实验箱（内置三个半导体激光器），示波器，两根电缆线。

[实验原理]半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。

常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。

激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。

半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。

同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

半导体激光器具有体积小、效率高等优点，广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。

一、半导体激光器的结构与工作原理1.半导体激光器的工作原理。

半导体材料多是晶体结构。

当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。

价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。

与价带对应的高能带称导带，价带与导带之间的空域称为禁带。

当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。

同时，价带中失掉一个电子，相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。

因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。

没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。

如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。

半导体激光器特点半导体激光器是一种利用半导体材料的电子能级结构产生激光的装置。

它具有以下几个特点：1. 高效率：半导体激光器的光电转换效率相对较高，通常可达到30%以上。

这是因为半导体材料具有较高的折射率，能够实现较长的光程，并且电流注入激活的载流子浓度较高，使得激光产生的概率增大。

2. 小型化：半导体激光器具有体积小、重量轻的特点，可以制成非常小巧的器件。

这使得它可以广泛应用于光通信、激光打印、激光雷达等领域，同时也方便集成到其他电子器件中。

3. 快速调制：半导体激光器的调制速度非常快，可以达到几十Gbps甚至上百Gbps的水平。

这使得它成为光纤通信和光存储等领域中的重要组件，能够实现高速数据传输和处理。

4. 低功率消耗：由于半导体激光器是利用电流注入产生激光，相对于其他类型的激光器，它的功耗较低。

这使得半导体激光器在便携式设备和低功耗应用中具有优势，例如激光指示器和激光笔等。

5. 单色性好：半导体激光器的输出光束通常是单色的，具有较窄的谱线宽度。

这使得它在光谱分析、光纤传感和光谱测量等领域中有着广泛的应用。

6. 长寿命：半导体激光器的寿命相对较长，可以达到几万小时以上。

这使得它在长时间稳定工作和持续使用的应用中具有优势，例如激光切割和激光医疗等领域。

7. 可调谐性：某些类型的半导体激光器具有可调谐的特性，可以通过改变电流或温度等参数来调节输出的激光波长。

这使得它在光谱分析、光通信和光存储等领域中具有灵活的应用。

半导体激光器具有高效率、小型化、快速调制、低功率消耗、单色性好、长寿命和可调谐性等特点。

在现代科学技术的发展中，半导体激光器在光电子学、光通信、光存储、医疗等领域发挥着重要的作用，并且具有广阔的应用前景。

半导体激光器原理
半导体激光器是利用半导体材料的特性产生激光束的一种器件。

它的工作原理基于半导体材料中电子能级的跃迁。

在激光器中，通常使用的半导体材料是由两种不同掺杂类型的半导体材料构成的PN结。

当外加电压施加在PN结上时，电
子从N区域流向P区域，而空穴则从P区域流向N区域。

当
电子和空穴在PN结的交界处重新结合时，会释放出能量。

这
能量释放的过程就是激光产生的基础。

在半导体材料中，能带结构可以分为价带和导带。

当材料处于基态时，电子填充在价带中，但是通过提供适当的能量，电子可以跃迁到导带中。

这个过程被称为光激发或电子激发。

在半导体激光器中，通过施加电压，使准确能量的电子跃迁至导带。

这个过程被称为激子的形成。

当电子从激子态跃迁回到基态时，会释放出光子。

这些光子经过多次反射和放大（通过增强光程），形成了强大的激光束。

为了增强激光的一致性和方向性，半导体激光器通常使用谐振腔。

谐振腔由两个反射镜构成，使得光以特定波长的形式在激光器内部反射。

其中一个反射镜是高反射镜，具有非常高的反射率，而另一个镜子是半透射镜，只有一小部分光能透过。

通过调节激光器的驱动电流和温度等参数，可以控制激光的频率和输出功率。

半导体激光器可以广泛应用于通信、医疗、制造和科学研究等领域。

导带组成，如图(5-24)。
图(5-24) 本征半导体的能带
图(5-23) 固体的能带
同质结和异质结半导体激光器
• 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性，如图(5－29)所示。 阈值电流密度: 影响阈值的因素很多 方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。
半导体的能带和产生受激辐射的条件
在一个具有N个粒子相互作用的晶体中， 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、 每一个能级会分裂成为N个能级， 锗等，在绝对温度为零的理想 因此这彼此十分接近的N个能级好 状态下，能带由一个充满电子 象形成一个连续的带，称之为能带， 的价带和一个完全没有电子的 见图(5-23)。
p( E ) 1 exp(
1 E Ef kT
式中，k为波兹
)
曼常数，T为热
力 学 温 度 。 Ef 称为费米能级， 用来描述半导体
中各能级被电子
占据的状态。
PN结的特性
当P型半导体和N型半导体结合后，在它们之间就出 现了电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都要从 浓度高的地方向浓度底的地方扩散，扩散的结果 破坏了原来P区和N区的电中性，P区失去空穴留下 带负电的杂质离子，N区失去电子留下带正电的杂 质离子，由于物质结构的原因，它们不能任意移 动，形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。其 电场的方向由N指向P，称为内电场。该电场的方 向与多数载流子（P区的空穴和N区的电子）扩散 的方向相反，因而它对多数载流子的扩散有阻挡 作用，称为势垒。
在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向 性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模 光纤芯径小，数值孔于半导体的导带，价带都有一定的宽 度，所以复合发光的光子有较宽的能 量范围，因而产导体激光器的发射光 谱比固体激光器和气体激光器要宽。 半导体激光器的光谱随激励电流 而变化，当激励电流低于域值电流时， 发出的光是荧光。这时的光谱很宽， 其宽度常达百分之几微米。如图 (a) 所示。当电流增大到阈值时，发出的 光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增 加。这表明出现了 激光。其光谱

h (6 .6 4 1 1 .6 0 3 1 4 0 )( 2 1 9 1 0 1 1 ) 0 .8 3 m e V
5. 光吸收、损耗与增益
（1）增益系数
在激光器内部，同时存在光的吸收和光辐射过程，因此，光吸 收和光增益是同时存在的，在不同条件下，增益的情况不同。
1）在达到粒子数反转条件之前，材料内部的吸收过程要比光
的辐射以自发辐射为主，此时输出的光为荧光；注入电流较大， 激光器工作在阈值以上时，激光器内部的受激辐射逐渐增强， 最终开始发射激光。分析激光器内部的工作过程，可以从光子 的速率方程入手：
光子密度的变化率(单位时间光子密度的变化量)=
受激辐射率 -腔体损耗 +自发辐射中对激光输出有贡献的部分
R stimR LR s'pon
III. 激光器结构：光学谐振腔
1. F-P（Fabry-Perot）腔 I
粗糙面
限制层 激活层
限制层
L
左右两个侧面为平行的抛光面
输出光
z
y
x
F-P腔的主要构造： P-N结结构； 与P-N结面垂直的两个镜面； 电极及热沉。
2. 常见光腔种类： F-P腔 含周期光栅的分布反馈式光腔（DFB和DBR） 含特殊反射器的表面发射腔
wr wa distribution of particles reversed
fe (E e )fh (E h )1 fe (E e ) 1 fh (E h )
fe (E e ) fh (E h ) 高注入； 高掺杂。
n 1 n EFnEckTlnNc 8Nc EFpEvkTlnN pv18N pv
3. 粒子数分布反转
在无外界注入条件下，绝大多数电子都位于低能级，粒子数 分布反转是指由于能量注入，使得高能级上的电子数反而比低 能级电子数更多，这是普通激光器的粒子数分布反转。对于半 导体激光器，工作过程涉及到两种载流子，其粒子数分布反转 是指在一定能量范围内，导带内的电子比价带内的电子还要多。

一、半导体激光器的发展历史
1970 年，双异质结构半导体激光器(DH-LD)由前苏 联科学院约飞（loffe）物理研究所的阿尔费洛夫 (Alferov)等人研究成功。室温下的阈值电流密度比 单异质结激光器的降低了一个数量级，电光转换效 率也得到了大幅度的提高。与此同时，超晶格中的 量子效应由美国 IBM 公司的江琦（L.Esaki）和朱 兆祥（R.Tsu）首先提出，并且制备出了具有超晶
的半导体。（GaAs-Zn）
N型半导体：通过掺杂使电子数目大大地多于空穴数目
的半导体。（GaAs-Te）
2、非本征半导体材料———p-n结
在GaAs内掺入VI族元素，会在导带下面形成杂质能级。
由于杂质能级与导带底的能量差很小0.003eV，电子很
容易跃迁到导带中去，同时在原来的能级上形成空穴。 这种杂质称为施主杂质，相应的能级为施主能级，掺入 施主杂质的半导体称为电子型半导体或N型半导体。
另有一类在电子学中非常重要的半导体材料,如Si和 Ge等,导带底和价带顶不在k空间同一点,称为间接禁 带半导体
2、非本征半导体材料———p-n结
本征半导体：杂质、缺陷极少的纯净、完整的半导体。 其中自由电子和空穴都很少。常用的是非本征半导 体又叫掺杂半导体。
P型半导体：通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数目
室温下连续工作。
一、半导体激光器的发展历史
1963 年，异质结的概念由前苏联科学院的阿尔费 洛夫（Alferov）和美国的克罗默（Kroemer）提出。
1968 年到 1970 年期间，美国贝尔实验室的潘尼希 （Panish）等研制出 AlGaAs/GaAs 单异质结激光器， 阈值电流密度为 8.6×103A/cm2，实现了室温下的 脉冲工作，这标志着半导体激光器进入了异质结注 入型激光器（SHLD）的发展阶段。