第三次课(半导体激光二极管和激光器组件)..
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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&$%6.中 !在水平的和垂直的束腰之间像散距离-在自由空间. 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" 同样的透 镜对 1轻微调整两镜间的距离<!在目前激光束像散情况!可用于准直 而不引起波前质量任何退化"在光束准直前通过沿光束的慢轴传播!则柱透镜对能够调节束 截面的椭圆度" 当然!第二透镜需 要的物理参量与希望的准直束的 短轴和长轴比有关 !但是 ! 原则上 任何椭圆度都能达到" 这样!柱面 透镜对不仅能将二极管激光器的 发散光束准直!而且还能使光束截 面整形1特别是成圆形<"用柱面透镜准直二极管激光束!如图 8 所示" 其中第一个透镜负责沿快发散轴准直光束! 第二个透镜负责沿慢轴扩束" 当发散角度大时! 具有梯度折射率的柱面透镜提供更好的准直能力! 以及对剩余像差的更好修正"# 渐变放大和光束压缩考虑一具体的例子" 波长 ! %3图 4 表示经渐变棱镜沿 ! 轴扩 45%67!#!38!!#"390!+像散 "&3% 的展光束后! 用无像差透镜使二极管 单横模光束" 第一个透镜是半径 ’%3激光束准直" 这种准直的渐变放大 *)077!长 077 柱形棒!它由 (1’<3光束接着用无像差透镜聚焦! 其效$,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&。