§12.4半导体激光器姓名：xxx学号：xxxxx*本章主要内容1.激光器2.半导体3.半导体激光器§1.激光器什么是激光器？*※1.1激光器工作原理高能态电子束＞低能态电子束同频同相光→谐振腔内多次往返放大高能态→低能态→同频率同相位的光发射激光※1.2激光的振荡阀值激光工作物质位于谐振腔内，当工作物质的某对能级之间发生粒子数反转分布时，频率处在这对能级自发辐射谱线宽度内的微弱光信号，将获得增益而放大；由于谐振腔内存在各种损耗，光信号在其中传输时，又会不断衰减。能否产生振荡,取决于增益与损耗的大小。对光学谐振腔,要获得光自激振荡,须令光在腔内来回一次所获增益,至少可补偿传播中的损耗。激光振荡阈值是腔内辐射由自发辐射(荧光)向受激辐射(激光)转变的转折点。※1.3激光器的增益和损耗(一)激光器的增益增益系数的定义：光强随距离的变化：G代
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光波在介质中经过单位长度路程光强的相对增长率，也代表介质对光波放大能力的大小。增益：在注入电流的作用下，激活区受激辐射不断增强。I0I(l)dz0lZ(一)激光器的增益推导可得：其中——反转粒子数密度——受激辐射截面积可见，激光介质增益系数正比于反转粒子数密度，其比例系数为受激辐射截面积。正常分布状态:热平衡态下,粒子数按能级的分布为玻尔兹曼分布(二)激光器的损耗1、内部损耗增益介质内部由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷而使光产生折射、散射等使部分光波偏离原来的传播方向，造成光能量的损耗。2、镜面损耗当强度为I的光波射到镜面上，其中r1I(或r2I)反射回腔内继续放大，其它的部分均为损耗，包括t1I(或t2I)、镜面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的损耗，用a1I(或a2I)表示。r1、r2——反射镜M1M2的反射率，t1t2——M1M2的透射率※1.4激光器的阀值条件阈值是所有激光器的属性，它标志着激光器的增益与损耗的平衡点，即阈值以后激光器才开始净增益。★获得激光所要求的双程放大倍数为：则形成激光所要求的增益系数的条件为：§2.半导体半导体，指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体(P型半导体和N型半导体)。将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。其电场的方向由N指向P，称为内电场。P-N结内电场方向※2.1半导体器件的发光机理当如果在PN结上加正向电压，外电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电荷区变窄，形成较大的扩散电流。如右图所示当外加电场与内电场方向相反时，电子被迫从N区向P区方向集结，当足够数量的电子能级上升到导带能级，它们的电子能级就超过了势垒能级，电子流过P-N结进入P区。 此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在，这种状态称为粒子数反转。 来自导带的电子失去它的一些能量并下降到价带时，它们和空穴复合并产生出光子。这种过程称为复合。在理想情况下，能量完全以光子的形式释放出来。如果这一过程自发地发生，则该发出的光子能量近似地等于带隙的能量Eg，所产生的光子在随机的方向上进行。另一方面，若在复合区有足够密度的光子存在，则自发发射(或复合)及受激复合两者都会发生，所产生的受激光子的行进方向和原始光子相同。※2.1半导体器件的发光机理直接复合中一个光子产生一个电子和一个空穴，它们碰撞后又放出一个光子；间接复合中载流子被trapT捕捉到，在trapsite中发生复合，并放出热。§3.半导体激光器 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，是一种在电流注入下能够发出相干辐射光（相位相同、波长基本相同、强度较大）的光电子器件。半导体激光器的结构简图 工作三要素：受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。 自发光辐射（发光二极管）当给器件加正向偏压时，n区向p区注入电子，p区向n区注入空穴，在激活区电子和空穴自发地复合形成电子-空穴对，将多余的能量以光子的形式释放出来，所发射的光子相位和方向各不相同，这种辐射叫做自发辐射。 受激光辐射（半导体激光器）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。※3.1半导体激光器和发光二极管的区别以GaAs半导体激光器为例来说明其基本结构及其发光图示※3.2半导体激光器的基本结构※3.3半导体激光器的工作物质由于半导体材料的折射率一般较大，因此反射系数较大，所以两个与p-n结平面垂直的解理面即构成相互严格平行的谐振腔。垂直于结面的两个平行的晶体解理面形成法布里-珀罗谐振腔，两个解理面是谐振腔的反射镜面。在两个端面上分别镀上高反膜和增透膜,可以提高激射效率。半导体激光器和普通的发光二极管基本上相同的，两者的主要差别就是前者有解理面形成的谐振腔。※3.4半导体激光器工作的阀值条件 在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡。◆要实现电子数的反转，输入电流要很高。当电流较小时，此时只发出普通光，当电流增大到某一值时，开始发射出激光，此电流即是阀值电流。※3.5半导体激光器阀值电流的测定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。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。其光谱为分布如右图所示。由此可见知光谱变窄，单色性增强是半导体激光器达到阈值时的一个特征，因而可通过激光器光谱的测量来确定阈值电流。※3.6半导体激光器的优点及应用半导体激光的应用十分广泛，如激光切割，激光焊接，激光打标，激光打孔，激光雕刻，激光医疗，激光美容，激光显示，激光全息，激光照排，激光制冷，激光检测以及激光测量等。效率高、体积小、重量轻。并且寿命较长、易于调制及价格低廉等优点❈半导体激光器的优点：❈半导体激光器的应用：Thankyouforyourattention!**
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