第5次 激光特性

I ph ( x) I ph (0) e x 光增益 g(h)
2）达到粒子数反转条件之后，材料内部的受激辐射过程要比 光吸收过程更强烈，光的增益是正值，即此时材料对光有放 大作用：
wr wa g (h ) 0
I ph ( x) I ph (0)e
增益系数：
gx
粗糙面 限制层 激活层 限制层
I
输出光
L
左右两个侧面为平行的抛光面
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
3. F-P腔的共振频率：
量子阱半导体激光器，由于有源层很薄，对光波的限制能 力弱，其光波限制因子大约只有1%左右。
【例4.1】一个GaAs材料制作的F-P腔半导体激光器，其腔长 为L=200um，GaAs材料的折射率为3.66。计算：
（1）纵模之间的频率间隔； （2）纵模之间的能量间隔。
c 3 1010 11 2 10 Hz 4 2nr L 2 3.66 (200 10 )
受激辐射特点：
发出的光是相干光； 光子相位、方向与引起辐射的光子一致。
普通激光器工作过程：
一般激光器的工作过程涉及到原子的能级跃迁。以二能级 系统为例，其过程是：在外界能量注入条件下，原子中的外 层电子吸收能量，跃迁到高能级。在高能级的原子态并不稳 定，如果此时有光子从有源区穿过，则会激励此高能原子， 使电子由高能级跃迁回低能级，同时放出一个光子，此光子 与引起辐射的光子在频率、相位、方向上完全一致。 半导体激光器工作过程： 在半导体激光器中，有源区发光过程涉及到两种载流子。 其过程是：正向偏置电压下，外界注入高能载流子，注入的 电子能级位于导带，在导带底附近，注入的空穴能级位于价 带，在价带顶部附近。在穿过有源区的光子激发下，导带电 子落入价带，与价带空穴复合，产生光子，此光子与激发复 合过程的光子在频率、相位、方向上亦完全一致。

1960年5月15日，在美国加利福尼亚州著 名的休斯实验室，科学家梅曼激动地宣布： 获得了波长为694.3纳米的激光。同年7月 7日，休斯公司在纽约举行了隆重的新闻 发布会，正式宣布：世界第一台激光器诞 生了！从此，一种神奇的光——激光横空 出世，并与原子能、半导体、电子计算机 和航天技术一起，成为20世纪最重大、最 实用的科技成就之一。
应用气体材料所制成的激光器，叫气体激光器。 这类激光器可采用的工作物质最多，激励方式最 多，发射激光的波长分布也最广。气体激光器所 采用的工作物质，可以分别是原子气体、分子气 体和离子气体，因此可相应地称为原子气体激光 器、分子气体激光器和离子气体激光器。一般的 气体激光器主要利用气体放电进行激励。
还可按照工作物质分类：
•固体激光器
应用晶体或者玻璃制成的激光器，叫作固体激光 器。固体激光器一般采用光学激励或光泵式激励。 它的原理是利用亮度较高的气体放电光源（如脉 冲氙灯或连续氪孤灯）作为激励源，通过适当的 聚光器系统，把上述光源的光聚到固体物质中， 使工作物质实现粒子数反转进而产生激光。
•气体激光器
激 光 眼 科 治 疗 机
激光美容
5.军事武器
在人类历史上，科学技术的发 明往往首先被应用于军事领域，过 去如此，今天如此，未来也会如此。 伴随激光器的诞生，激光制导、激 光致盲、激光炸弹、激光雷达…… 一大批新概念武器相继问世，在军 事舞台上崭露头角。
6.信息工程
我们正处在知识爆炸 的信息时代 。为了适 应信息时代的需要 ， 人们在不断更新着信 息传播的媒介 ，从书 信到电报，到电话， 再到无线电通信 、电 视。现在，激光技术 与无线电技术结合 ， 又以一种崭新的现代 化通信方式 ，迅速地 进入信息世界。
（1）工作物质的粒子数反转； （2）光学谐振腔。

21
＋
解理面1
P N ＰＮ结 激光 － 解理面4
GaAs激光器的结构
22
结构原理



自发辐射：在PN结正向电流下，电子同空 穴自发复合，产生自发辐射。 自发辐射的光子在时间、方向上各不相同， 大部分光子会很快穿过PN结射到体外，少 数光子沿PN结平面平行穿行就可能引发受 激辐射， 在１、４两反射面间来回振荡， 反复引发受激光子，从而获得激光。 阈值条件：为此要克服种种损耗，所以要有 足够强的外电场，以便注入足够多的载流子 是实现粒子数反转的条件。也就是把电流提 高到阈值以上。
１０
77K
150K
200K
250K
300K
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
峰 值 功 ５ 率 Ｗ
0.82
100 200 正向激发电流（mA） GaAs激光器的输出功率
26
发光谱线

半导体激光器 在达到阈值电 流前，发光谱 线与普通发光 二极管一样， 一旦达到阈值 电流就会非常 集中的谱线。 如图所示：
相 对 光 强
100mA
82mA 70mA 0.82 0.84 0.86 0.88
10
工作物质

半导体激光器的工作物质是半导体化合物， 其种类很多，如GaAs砷化镓，CdS硫化镉 等，其中GaAs砷化镓激光器的工作物质为 GaAs砷化镓，而红宝石激光器的工作物质 （激活介质）为络离子。
11
外界激励源

为了获得粒子数反转，就需用外界足够的 能量将基态（低能态）的粒子激发到高能 态。可见所有的激光器都必须有外界激励 源。
θ
5
２、单色性好

单色性好：一种光所包含的波长范围越小， 它的颜色就越纯，看起来就越鲜艳，我们 通常把这种现象称之为单色性好。 一般把波长范围小于几埃的一段辐射称为 单色光。

器件加工技术
通过光刻、刻蚀、蒸发等微纳加工技 术制备出具有特定结构的半导体激光 器器件。
封装技术
采用合适的封装材料和工艺，保证半 导体激光器的长期稳定性和可靠性。
02
静态特性参数及其测量方法
阈值电流与斜率效率
阈值电流
半导体激光器开始产生激光输出的最小电流。测量方法通常 包括观察输出光功率与注入电流的关系，确定阈值电流的位 置。
半导体激光器可用于激光雷达的发射光源，具有体积小、重量轻、效率
高等优点。激光雷达在军事侦察、目标跟踪、导弹制导等方面具有广泛
应用前景。
02
光电对抗
半导体激光器可用于光电对抗中的干扰和致盲，具有响应速度快、干扰
效果好等优点。随着光电对抗技术的不断发展，对半导体激光器的需求
也将不断增加。
03
保密通信
半导体激光器可用于实现高速、保密的光通信，具有抗干扰能力强、传
描述激光器输出波长随工作条件变化 而保持稳定的能力。测量方法是通过 光谱分析仪测量输出光的波长，并记 录不同工作条件下的波长变化。
调制深度与频率响应
调制深度
描述激光器在调制信号作用下输出功率变化的能力。测量方法是通过施加调制 信号并记录输出功率的变化量，从而计算出调制深度。
频率响应
描述激光器对不同频率调制信号的响应能力。测量方法是通过施加不同频率的 调制信号并记录输出功率的变化，从而绘制出频率响应曲线。
其他领域
半导体激光器还可应用于工业加工、环境监测、照明等领域。随着这些领域的不断发展，对半导体激光 器的需求也将不断增加。
THANKS
感谢观看
优化热管理设计
通过改进散热结构、使用高热导率材料等措施，可以降低 激光器的热效应，提高功率稳定性。