第三次课(半导体激光二极管和激光器组件)案例

半导体二极管激光器，也被称为激光二极管（LD，Laser Diode），是一种将电能直接转换成光能的半导体器件。

其工作原理主要基于半导体的PN结构以及粒子数反转等条件。

首先，PN结是由n型半导体和p型半导体构成的结构，在PN结的交界处，会出现电子和空穴的复合现象，进而形成发光。

当在激光二极管的PN结上加上适当的正向电压时，电子从n型材料向p型材料移动，空穴从p型材料向n型材料移动，它们在PN结区域相遇并发生复合。

这个过程中产生了能量差，能量差被释放成光的形式，从而形成了发光效应。

其次，为了产生激光，必须满足一定的条件，包括粒子数反转、谐振腔的存在以及满足阈值条件。

其中，粒子数反转是指通过一定的激励方式，使得半导体物质的能带之间或者与杂质能级之间实现非平衡载流子的粒子数反转。

谐振腔则是由半导体晶体的解理面形成的两个平行反射镜面，它们能够起到光反馈作用，形成激光振荡。

而满足阈值条件，即增益要大于总的损耗，则需要足够强的电流注入，以便有足够的粒子数反转，从而得到足够大的增益。

总的来说，半导体二极管激光器的工作原理是通过PN结的电子和空穴复合产生发光效应，并通过满足粒子数反转、谐振腔的存在以及阈值条件等条件，从而产生激光并连续地输出。

这种激光器具有结构紧凑、效率高、波长覆盖范围广等优点，因此在激光打印、光通信、医疗设备、实验室和工业检测等领域有广泛的应用。

半导体激光二极管工作原理[日期：2006-05-21] 来源：作者：[字体：大中小]1、半导体激光二极管的工作原理为了了解激光型光电开关的工作原理，首先对半导体激光二极管的工作原理及其特点作一简单的介绍。

半导体激光二极管的基本结构如图1所示，垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里——珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。

其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。

半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。

当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：λ = hc/Eg (1)式中：h—普朗克常数；c—光速；Eg—半导体的禁带宽度。

上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。

当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。

如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。

当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。

当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是激光二极管的简单原理。

2.激光二极管的结构随着技术和工艺的发展，目前实际使用的半导体激光二极管具有复杂的多层结构。

图2为日本三洋公司的红光半导体激光二极管的结构。

图3为小功率激光管剖视图，由图可见，激光芯片贴在用来散热的热沉上，在管座上靠近激光芯片下部封有PIN光电二极管。

图4为普通激光二极管的外形，由图可见，小功率激光管有三条引脚，这是因为在管内还封装有一个光电二极管，用于监控激光管工作电流。

第 !" 卷! 第 # 期&’()!*+ ,’)$$%%! 年 $ 月!"#"$%&’(-./) $%%!不产生粒子数反转5$!26" 在我们的情况下!脉冲间的振动能级激发有效 地支持自持放电"因此!在自持放电上叠加纳秒 电短脉冲是提高横向自持放电 34# 激光器抽运效率有前途的方法!而 无需改变它的结构" 这可以提高激 光效率!并在使用高含量氮的无氦混合气体中用简单电极7非分段电图 ! 不同成份的 "#$%&$%’( 混合气体的复合放电抽运时的效率的相对增量与纳秒极8工作时没有放电收缩" 在这种源功率 !)* 与自持放电功率 ! 比值的关系情况下 ! 改善了激光器的工作特效率增大! 增量达到 001" 由图 # 生电离 ! 在非自持放电中不会发 性 #增大了电流调节范围 $ 简化了 和图 2 可以看出!在脉冲电离情况 生" 如果复合非自持放电中电脉冲 放电点燃!并在大电流时提高了放 下!使用氮含量大的混合气体是有 重复率较低 !在某时间间隔内电子 电的稳定性和均匀性" 利的" 在自持放电中!脉冲间也发密度会降低到这种程度 !以致 34$参 考 文 献" !"#$%&’ ( )+ *&#+,"- . /+ )012$3 / .) 456!!"9:$++!,;**< $ *"3"70#&- 6 8+ 9$:02&- . )+ ;&<=32$3 . > "# $%&& ;-03:&-0? @#"2=7&3>20+ *9:#+ -;*0!92 60+:&- . A+ B012&- . C) ;-03:&-0? @#"2=7&3>20+ *9<<+ .;#!#<! C-03D"32& 8 C+ ;701"3$33$2&- . .+ )&3&:07"- 8 A) @#"2=7&:"%3>20+!*9:<+ 7**8;2< 0 .0<$#?2 E F+ ;&<GHD"32& / .+ ;+I7?-J"- 6 6 "# $%&& 456’!*99!++/.;#?2? K7""- . .+ >-+7"D"3<2$L / .+ )012$3 / .) ()(! *9<9+ +,0#0% !白光 编译")*+,-.!"/"&提 要 @’/.AB ,) CD((!"9"9 年诞生在美国康涅狄格州的纽黑文 !从加州理工学院毕业后进入通用电器研究发展中心工 作""9?$ 年!CD(( 在半导体结中实现了粒子数反转!创建了第一台半导体结激光器" 这种器件!根据特殊设计的 EFG 结!用电流将电子直接注入结中运行!因此允许从紧凑的发射源以高效率产生相干光" 当今!以 CD(( 原始思想工作的二极管激光 器!广泛地应用于如 3H $H&H 显示器$激光打印机和光纤通讯系统等领域"关键词 半导体二极管激光器 EFG 结 应用 + 引言本 文将描述二极管激光器发 射光束的基本特性 !讨论分析和调 整这种光束的方法" 用一对柱面透镜 将光束准直和成形是一种简单 灵活的方法!不仅可以用于二极管 激光器!而且也可用于光纤发射的 光束" $ 二极管激光器特性 半 导体二极管激光器结构如图 " 所示!它由增益层7仅几十个纳 向侧面变弱 " 在增益导向激光器米厚8和包围它的导向层组成!导向 中!这种增益渐变对侧向光束限定层起限定激光模式作用" 导向层折 是很重要的" 为比较起见!在折射射率略大于周围区域7基质和盖板8 率导向激光器中!将导波带相邻区 折射率!通过内全反射限定激光模 域选择性地刻蚀掉!然后以低折射式" 通过几个微米宽的金属条状正 率覆盖材料代替" 一般地说!增益电极注入电流!由结对面的基板7接 层有高吸收的区域!不直接在电极地电极8收集 " 在正电极底下的粒 底下 !因此经受的抽运弱 ! 或完全子数反转和增益最强!沿 * 轴随着 无抽运" 除了杂质和界面上的散射距电极中心线距离增加!增益逐渐 损失外! 导向层基本是透明的!基收稿日期0 $%%2F"%F!"+1第 !" 卷! 第 # 期&’()!*+ ,’)$$%%! 年 $ 月!"#"$%&’(-./) $%%!束性质是它的偏振态!典型的是线 偏振!其电场平行于结平面* 这个 性质反映这样的事实!对于平行于 结的偏振光7即 #!8!其增益多少要比垂直偏振光7下文的 #"8高 * 与#"相关的导向模在 $ 方向要比与 #!相关的模略为加宽* 因为加宽模比紧凑模与增益介质层交叠得少!所以当紧凑模超过阈值并开始产 图 " 为限定激光模 !用导向层包围激活层组成半导体二极管激光器 " 通过正电极注入生激光时!加宽模还未达到* 而且!电流!由在结对面的接地电极收集电流限制电子和空穴在薄激活层 7量子质和覆盖层也是高透明的"步在水平方向加宽 7比无像散时8! 阱8!对 #!7相对于 #"8更易使激发图 $ 表示在单横模二极管激 相位分布显示峰?谷变化@*2%!"电子和空穴释放出光子并返回基 光器 0! %123%456 前方的强度和相在激光器向前方发射的光束!态*实际上 # 偏振超过 # !是两种位分布图 " 在结平面光束发散角 呈椭圆截面是合理的 7由于衍射8! 效应组合的结果*7半高全宽8是 "!19! ! 与结垂直方对于 "远小于 " 的情况" 在激光! 二极管激光像散的起源向是 ""1:;!" 在图 $ 上方一行的图激活区内产生像散是由于非均匀 0<#$%/8中!显示光束没有像散 !在增益剖面7沿 " 轴8的原故" 由于靠 沿 " 轴增益剖面的非均匀性! 激光器前方的相位分布均匀" 在中 近腔的光轴增益最高!光辐射在腔 对波导模具有聚焦作用!迫使沿腔间一行的图0=&$%>8!像散距离7定中沿 ! 轴传输时!光束向光腔轴产 ! 轴传输的光束自动形成发散的相义在自由空间中水平束腰和垂直 生(增益聚焦)效应!结果是沿腔轴 位波前* 用光束传输方向7DEF6B#C 束腰之间的等价距离 8 是 #! 1 比两侧有更强的放大B*C * 因而!对应 研究通过增益介质的光束传输很 *%!5!沿 " 轴轻微展宽光束 !相位 光束向中心塌陷的趋势!发散相位 容易证明这一点* 图 :7<6表示典型 波前发散!其峰?谷变化7即束的边 剖面自动形成* 关于这个性质!下 二极管激光横截面的增益和损耗 缘到中心8是@*$%!’ 在底行图7.&$ 面会详述*分布* 在增益层中间部分的增益最 %A8!像散距离 #!1$;!5" 光束进一另一个感兴趣的二极管激光高 !沿 " 轴以高斯型下降 ! 在远离 中心轴 ! 的区域变为损耗区* 在沿 腔 ! 轴传输期间!光束截面的相位 剖面类似于图 :7/6所示* 其中高折 射率导向层使相位相对于低折射 率基质和盖板超前* 具有较高折射 率的增益介质7红色6使相位更超前于导向层7橙色6!但增益层薄!对于限制模沿 $ 轴的贡献显然很小* 同时!图 :7<&+%/6表示的截面强度分布和相位分布确定了以光束 传输方法模拟二极管激光使用的振幅?相位掩模剖面" 这种特殊掩模以图 # $%&’$() 二极管激光器! !%*!+ "%!,!!在前方的强度-左.和相位-右.的对数平#!1%)*! 的间隔放置在折射率 %%1 :): 的介质中" 波长 ! 在这个环境中面图" 在极大和极小之间强度变化范围是 ! 1!%"$3" 在图-/&$%4.中!光束没有是 ! %G%%! 其中 ! % 是激光束的自由空像散 " 在图-5&$%6.中 !在水平的和垂直的束腰之间像散距离-在自由空间. 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"" 以高斯型沿 !轴逐渐变小!同时在 " 方向保持均匀"激活层外的介质背景损耗很小 2掩模振幅透射率 %)3304! 但是在增益层内和远离中心轴区域! 光振幅以%)30 因子衰减2每传输 %)*! 5" 在图 67/5 中! 掩模的相位在激活层内是8)*$!+在两相邻导向层是 0)!!!而在基底和盖板区是 %!" 这意味着!例如! 如果基底和盖板材料的折射率是 #%96)6! 则导向层的折射率 #*9 6)!0!激活层介质的折射率 #$96)!:"实际上! 抽运增益介质使其局部折射率下降! 所以比较实际的相位掩模应类似于图 62;5所示的!其在激活区中心的相位下降到 !)0!2相应于 ##96)!#05" 相位从这个极小值 起沿 ! 轴以高斯型增加! 在激活层的高吸收区达到 8)*#!" 这导致沿 !轴反向导向 2由于在激活层内折射率不均匀5" 在激活层内的高斯相位剖面迫使激光束沿 ! 轴发散! 超过 仅由增益剖面产生的发散<6!!=" 其余 的掩模与图 62/5中的情况一样" 下面首先给出用图 62>#$ %/5 所示的 振幅?相位掩模 " 用传输方法的模 拟结果!确认仅由增益剖面引起的中 ! 沿 ! 轴的峰 ? 谷相位变化为*8%!!相应于几个微米的像散发散光束" 图 ! 下方一行的图与上方一行的类似!不同的是用掩模 $ 得到 的" 与增益介质无折射率反向导向 情况下比! 光束沿 ! 轴略有加宽" 图 ! 7C5 中峰?谷相位变化是 *:0! 7沿 ! 轴5+对应着比图 !7;5情况有 更大像散的发散束"图 !7D5 表示在上述模拟中得到 的光束功率与传输距离 $ 的关 系 " 开始光功率下降!因为初始光 束对波导结构进行自身调整!挡掉 了与波导模剖面不匹配的光" 然后 增益介质起作用 ! 光功率指数上图 2 在 1-- 步光束传输方法后的"(&强度!")&强度的对数!"+&相位图形" 在这些模拟中所用振幅’相位掩模 * 如图 !"(&$%)&所示" 看到的限制在导向层中的光!以弱的逐渐消失的尾部泄漏到基质和盖板中" 在"+&中!沿 6 轴峰’谷相位变化为 *1-!" 下面一行 4"7&8%9&5与上面一行4"(&8%+&5类似!不同的是用掩模 , 得到的!掩模 , 如图 !"(&$%+&所描述"在图"9&中!峰’谷相位沿 ! 轴变化是*:/!"图";&表示在光束传输方法模拟中!光束功率与传输距离的关系*:第 !" 卷! 第 # 期&’()!*+ ,’)$$%%! 年 $ 月!"#"$%&’(-./) $%%!图 " 用无像差透镜捕获和准直从二极管激光器发出的单横模光束 !然后用剪切干涉仪 分析" 光束截面中任何相位改变都在剪切干涉图上以条纹形式表现升 !因为限定模沿光轴传输"! 剪切干涉仪用无像差透镜捕获和准直单 横模二极管激光束 !然后用剪切干 涉仪分析!如图 0 所示 " 剪切板产 生两个全同的准直光束的复制束!沿 ! 轴或 " 轴彼此有相移" 同一光 束的两个复制束在观察平面上叠 加产生干涉图 !显示准直光束的相 位结构" 在准直镜出射光瞳上的任 何相位不均匀性都在干涉图上以 强度变化1即条纹2表现"对 ! %345%67 二极管激光器发 射的 8!"90!光束!图 :;左面<给出在位于 %):#$ 准直透镜出射光瞳后面*%77 平面上的强度 1上图< 和相 位" 该透镜位于距激光束两光腰之 间的中点 %3!)477 处!显示的相位 花样分别对应于像散 "&3*%!7!$%!7!9%!7" 对固定剪切量 "!3图 # 左图 $位于图 " 的准直镜出射光瞳%)8771水平方向<和 ""3$)%771垂外 $%&& 平面处的强度’上图 (和直方向<!图 : 右方给出在剪切板观 相位 " %)#!" 的透镜位于激光束’ %*+,%-&. !*/!. "*0"!1两光腰察窗观测到的强度花样#从上到下! 之间中点有一个焦距’#*!)+&&1" 激光器的像散分别为 "&3%!*%!7!右图 $ 在剪切板 ’ $*%)/&&. %*$%!7 和 9%!7"2)%&&1观察窗上的强度花样 " 从" 用柱面透镜准直光束上到下 ! 激 光 器 的像 散 分 别为% &!$% &!2% & 和 0% &图 / 用一对柱面透镜准直二极管激光束"第 一个透镜将光束沿快轴准直 !而 第二个透镜将光束沿慢轴展开*)04=*>%)%!!00;’?’%<$@的梯度折射率 材料制成 " 透镜的净孔径 "! 30)%77!""3")$77" 激光器前表面与该透镜第一表面之间的距离是%)9!577" 用折射率 (3"):0 均匀玻璃制成的平面>柱面第二个透镜与第一透镜相距 %)94877" 其厚度;沿光轴方向<是 9)$77!长 077!曲率半径 977!净孔径 ")077" 透镜表面皆涂消反射膜"图 5 表示在图 8 平面>柱面透 镜后 %)977 处的观察平面上计算 的强度和相位图形" 透镜对捕获的 光功率约 5%A!在观察平面上的均 方根波前像差为B%)"4! " 同样的透 镜对 1轻微调整两镜间的距离<!在目前激光束像散情况!可用于准直 而不引起波前质量任何退化"在光束准直前通过沿光束的慢轴传播!则柱透镜对能够调节束 截面的椭圆度" 当然!第二透镜需 要的物理参量与希望的准直束的 短轴和长轴比有关 !但是 ! 原则上 任何椭圆度都能达到" 这样!柱面 透镜对不仅能将二极管激光器的 发散光束准直!而且还能使光束截 面整形1特别是成圆形<"用柱面透镜准直二极管激光束!如图 8 所示" 其中第一个透镜负责沿快发散轴准直光束! 第二个透镜负责沿慢轴扩束" 当发散角度大时! 具有梯度折射率的柱面透镜提供更好的准直能力! 以及对剩余像差的更好修正"# 渐变放大和光束压缩考虑一具体的例子" 波长 ! %3图 4 表示经渐变棱镜沿 ! 轴扩 45%67!#!38!!#"390!+像散 "&3% 的展光束后! 用无像差透镜使二极管 单横模光束" 第一个透镜是半径 ’%3激光束准直" 这种准直的渐变放大 *)077!长 077 柱形棒!它由 (1’<3光束接着用无像差透镜聚焦! 其效$,第 !" 卷! 第 # 期&’()!*+ ,’)$$%%! 年 $ 月!"#"$%&’(-./) $%%!果与最初对准直光束进行聚焦一样" 由于激光束发散角在平行和垂 直于结面有很大不同 0即 !!"!#1! 沿 ! 轴的准直光束直径一般比沿 " 轴的小很多" 沿 ! 轴扩展光束!直至 充满聚焦透镜的入射光瞳! 则能得 到本质上比在激光器前表面出现的 亮斑还小的光斑"图 *% 表示在图 2 系统几个截 图 !从图 " 所示的透镜对射出的激光束# $%&!’()* !%"!* #%+,!!像散 !%’-的强 面上的强度和相位计算图" 激光参度#.-和相位/01图形" 对本模拟中选择的特殊透镜!光功率透射率2!’3!均方根 量取 " % 324%56!!!37! !!#389! ! 像波前像差 ’45& !孔径截面上的峰6谷相位差为27!’!散 ##3%" 准直镜和聚焦透镜数值孔径 $%3%):! &3!)266!棱镜对的放 大因子 ’39)9;沿 ! 轴<足够使光束 截面圆形化" 图 *% 的顶行表示在 激光器前面的光束!第二行表示进 入棱镜之前光束的椭圆截面!其纵 横比=9)9" 从棱镜对出射的光束呈 圆形0见第三行<"最后一行表示聚焦平面上的聚焦斑点# 把激光器前表 图 &二极管激光束准直后 !用棱镜对整形 !沿 8 轴将光束扩束 " 接着用与准直所用相面亮椭圆斑点压缩而成的像有圆对同的无像差透镜将准直$渐变放大的光束聚焦称性!沿 ! 轴显著减小了直径"图 ** 与图 *% 情况相似!但将 二极管激光器沿 ! 轴位置移动到!3>$%!6" 光束的准直和渐变放大工作如前述 !但是从准直镜出射的 光束与 # 轴倾斜约 $8!" 棱镜对沿! 轴将光束放大=9)9 倍!同时也将光束的倾斜减小相同倍数" 净结果 是把激光器前表面的亮椭圆斑点 像 !除了尺寸被压缩之外 ! 还使它 更靠近光轴;!3?8):!6<" 这是一个 很重要的结果" 例如!可用于非相 干激光束的压缩" 典型的高功率多 横模二极管激光可能有如上述 ;即7!"89!<相同的发散角 !但是 !在前表面上的亮斑很大 ! 比如 ! =" "9%!6$" 这样!激光的辐射剖面可认图 5’ 在图 & 系统几个截面上的强度/左1图 55 与图 5’ 情况相同 ! 但所用二极管 为是由大量互相不相干的光丝构和相位/右1的对数值分布 " 透镜的数值孔 激光器沿 8 轴向左位移 7’ )!将成!每个都类似于二极管激光器的 径 "#%’49! $%:4&" 棱镜由 %%54"7 玻璃制 /<-与/>-相比较 !看到通过棱镜对相干光束;即单横模<" 因此!如果非 成!其顶角为 9&!" /.%$&0-是在激光器前表 之后 ! 准直光束的倾角有显著减 相干激光中心的光丝与图 "% 描述面 !/;%$&<-在准直镜出射光瞳的 ! 刚好进 小" 激光束的像!除被圆形化之外!入棱镜对之前!/=%$&>-从第二个棱镜进入 !更靠近在 &%’ 的光轴 ! 如图 /?%$的相干光束全同 ! 则图 "" 就代表/?%$&@-聚焦透镜的焦平面&@-所示边缘的光丝" 用图 2 的系统能这样5&。

4、物理半导体教案一等奖设计知识目标1、了解什么是激光和激光的特性．2、了解激光的应用．能力目标培养自主学习能力情感目标通过组织学生从不同的媒体中学习有关激光的.知识同时，让学生了解我国的科学事业，培养学生的爱国热情．教学建议本节内容可以作为阅读材料，指导学生自学，教师采取多种方式安排教学活动，以提高学生的学习兴趣，比如：组织学生观看有关激光的科技电影片，发动学生收集相关材料，组织阅读、参观等均可．以锻炼学生的自主学习能力．让学生通过学习了解以下两点：1、激光与自然光的区别激光与自然光比较，具有以下几个重要特点：（1）普通光源发出的是混合光，激光的频率单一．因此激光相干性非常好，颜色特别纯，（2）激光束的平行度和方向性非常好．（3）激光的强度特别大，亮度很高．2、激光的重要应用激光的应用非常多，发展前景非常广阔，目前的重要应用有：光纤通信、精确测距、目标跟踪、激光光盘、激光致热切割、激光核聚变等等．教学设计示例关于本节内容，可以作为阅读材料，指导学生自学，在自学的时候，可以让学生思考如下几个问题：1、究竟什么是激光呢？2、激光是如何产生的？3、激光都有那些特性和用途呢？通过有关视频资料加深学生对激光的了解（可以参考媒体资料），物理教案－激光，物理教案《物理教案－激光》。

探究活动查阅有关激光的资料（激光器的种类，应用等）物理教案－激光5、物理半导体教案一等奖设计【学习目标】1.理解什么是内能2. 知道内能与温度之间的关系3. 掌握改变内能的两种方式并能用来解决简单的问题。

【学习重点】：内能以及改变内能的方法。

【学习难点】：做功和热传递在改变物体内能上是等效的。

【预习检测】1. 叫做物体的内能;内能的单位：。

2.同一物体，温度升高，内能。

3.铁水和冰块的温度虽然不同，但他们都具有。

4.改变内能的途径是：和。

5.冬天搓手会让手暖和，是通过改变的内能;冬天嘴对手哈气取暖是通过改变内能的。

6.在高空飞行的子弹具有_______能、_______能，同时还具有_______能，子弹落地后，这三种能不为零的是____20xx九年级物理教案人教版___能.7.物体内大量分子做无规则运动的激烈程度跟_______有关，当物体的温度升高时，它的内能_______;温度降低时，内能_______8.当物体对外做功时，它的内能_______，温度_______;当外界对物体做功时，物体的内能_______，温度_______.给自行车打气，筒壁会发热，这是压缩筒内的空气_______，使空气的_______增加，温度升高的缘故.【共同探究】★学生活动一：阅读课文7页内能，回答下列问题：1) 运动的物体具有_______，分子不停地做无规则运动，所以分子也具有动能;2) 发生弹性形变的物体，由于有作用力具有______，分子间也有相互作用的引力和斥力，所以分子间也有______，物体________________________________________叫做内能。