第04章 半导体激光器.ppt

第四章发光器件，1。白炽灯光源中，用钨丝加热是最常见的光源，而白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，因此任何光敏元件都可以与之配合接收光信号。特点：使用寿命短，发热量高，效率低，动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求低，这是人们所希望的。发光装置，2。气体放电光源，定义：由通过气体的电流产生的发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，并且与气体类型和放电条件有关。主要在一定光谱范围内的辐射可以通过改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流来获得。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如，低压汞灯具有254纳米的辐射波长，钠灯具有589纳米的辐射波长，并且可以用作单色光源。如果光谱灯涂有荧光剂，荧光剂可以由于光和涂层材料的作用将气体放电谱线转换成更长的波长，并且气体放电可以通过荧光剂的选择发射一定范围的波长，例如照明荧光灯。气体放电灯消耗白炽灯能量的1/2-1/3。发光二极管由半导体PN结组成。它具有工作电压低、响应速度快、使用寿命长、体积小、重量轻等优点，因此得到了广泛的应用。在半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从而抑制空穴和电子的继续扩散。当直流电压加到PN结时，势垒减小，电子从N区注入到P区，空穴从P区注入到N区，这称为少数载流子注入。注入磷区的电子与磷区的空穴复合，注入氮区的空穴与氮区的电子复合。这种复合伴随着光子形式的能量发射，从而导致发光。发光二极管是一种半导体光源，由于PN结区中少数载流子的注入和复合而发光，也称为注入型电致发光光源。发光二极管的工作原理，图3.14两种类型的发光二极管(发光二极管)(一)前发光型；(二)侧发光型，发光二极管的类型：前发光型发光二极管和侧发光型发光二极管，发光二极管的光谱特性，发光二极管的发射光谱决定其发光颜色，目前可以实现多种颜色。发光二极管具有正温度系数。当温度升高时，发射波长红移约为0.2-0.3纳米/度、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、0、600、700、800、900、1000、GAASP、 p=670纳米、 p=655纳米、GAASP、 p=565纳米、GAP、P=950纳米、GaAs、/纳米、相对灵敏度、发光二极管的光谱特性发光二极管驱动电路和伏安特性，RL为限流电阻，UF和IF为二极管参数，例如，GaAs电流为20mA，间隙电流为10mA，可以获得足够的亮度。 阈值特性与材料有关：GaAs为1.0V；砷化镓和砷化镓大约是1.5V；发出红光的间隙为1.8V，发出绿光的间隙为2.0V，反向击穿电压一般在-5V以上。发光二极管信号控制电路，发光二极管特性及应用1，特性1，发光二极管辐射光是非相干光，光谱宽，发散角大。2.发光二极管具有非常丰富的发光颜色，通过选择不同的材料可以实现多种发光颜色。例如，由GaP:ZnO氧化锌或砷化镓材料制成的红色发光二极管，由砷化镓材料制成的橙色和黄色发光二极管，氮化镓蓝色发光二极管等。此外，通过红、绿、蓝三原色的组合可以实现全彩。3.发光二极管具有高亮度。随着各种颜色的发光二极管亮度的快速增加，发光二极管发出的光即使在阳光下也能被识别。基于这一优势，户外信息板的应用，它可以作为地板、道路和广场的信号光源，是一个新的应用领域。2.应用1、指示灯2和数字显示显示器以两种方式使用发光二极管进行数字显示：点阵和场。点阵式数字显示场式数字显示，3。平板显示器可分为单片型、混合型和点阵型。4.光源发光二极管不仅可以用作显示设备，还可以用作各种设备和系统的光源。例如，HBLED。激光器，满妹和第一激光器，2，按工作模式分类，连续(功率高达104瓦)脉冲类型(瞬时功率高达1017瓦/平方厘米)，激光器类型：固体(如红宝石氧化铝)，液体(如某些染料)，气体(如氦-氖，二氧化碳)，半导体(如砷化镓GaAs)自由电子激光器，1，按工作物质分类，激光器工作原理，自由辐射，受激吸收和受激辐射，工作物质，激发能量实现粒子数反转，2。使工作物质被激发，3 .实现光放大，1。气体激光器，氦-氖气体激光器，氦是氦-氖激光器中的辅助物质，氖是激活物质，氦与氖的比例为5: 110: 1。Ne原子可以产生许多激发谱线，最强的三条是333，600.6328 m，1.15m和3.39 m，根据工作物质分类：红宝石：激活离子Cr3，波长：694.3nm，三个能级；Nd:YAG:激活离子：Nd，波长：1.06m，四级；钕玻璃：激活离子：钕，波长：1.06m，四个能级；1960年5月15日，加州休斯实验室的t . h .迈曼制造了世界上第一台红宝石激光器，并获得了世界上第一台波长为694.3纳米的激光器。红宝石激光器、灯泵浦Nd:YAG激光器、高功率激光器，典型的Nd:YAG棒通常长150毫米，直径7-10毫米。在泵浦过程中，激光棒产生热量，这限制了每个棒的最大输出功率。单棒钕：钇铝石榴石激光器的功率范围约为50-800瓦。固态激光器，1kW脉冲钕：钇铝石榴石激光器，液体激光器，三号染料激光器，半导体激光器，四号激光二极管。单色性。激光中最好的单色性是气体激光产生的激光。氦氖激光器产生632.8纳米的谱线，线宽只有10-9纳米。氪灯(Kr86)是普通光源中单色性最好的，用作长度基准，其谱线宽度为4.710-3纳米。激光的单色性比普通光高106 107倍。自然光由具有更宽波场范围的光组成。激光的谱线展宽极小，具有良好的单色性。单色性决定了物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性。二氧化碳：10.6微米二氧化碳：5.4微米钇铝石榴石：1.06微米准分子：0.24微米；来自光源的激光平行传播的程度变成定向的。激光器输出的光束的发散角非常小，可以小于或等于10-3-10-5弧度。当激光通过直径为D的孔径时，衍射会产生一定的发散度：2。HeNe气体激光器具有良好的方向性：310-4弧度；固态激光器：10-2拉德半导体激光器：5-10。激光的方向性带来两个结果：光源表面的亮度高；照射区域的照度很大。功率为10mW的氦氖激光器能产生比太阳高几千倍的亮度，并能在屏幕上形成面积小但照度大的光斑。激光定位、制导、测距等。利用良好方向性的特点。高亮度，亮度是光源在一个单位面积上以一个单位立体角向某个方向发射的功率。虽然激光的输出功率有限，但由于其光束窄(特别是发散度小)和功率密度高，其亮度也极高。将180范围内的散射光集中到0.18范围内，亮度会增加100万倍。通过调Q等技术压缩脉冲宽度可以进一步提高亮度。(4)良好的连贯性。自然光由许多原子和分子发出，产生不同波长的混沌光。合成后，它不能形成有序的大振幅光波。相干长度只有几毫米或几十厘米。激光受激辐射，单色性好，发散角小，时空相干性好。两束光合在一起后，可以形成相位规则有序的大振幅光波。相干长度达到几十公里。利用稳频技术，HeNe激光线宽可压缩至10kHz，相干长度可达30公里。全息术、相干测量、全息术、全息存储等。利用激光良好的相干性。半导体激光器，光谐振腔和激光器的阈值条件，半导体激光器的结构，半导体激光器的特性，半导体激光器的应用，光谐振腔和激光器的阈值条件，激光器稳定工作的必要条件：(1)粒子数反转产生增益(2)反馈：提供光，其中最简单的是法布里珀罗腔图4.4.1-1。激光二极管、光学谐振腔和激光器的阈值条件，只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立稳定的振荡，这种增益称为阈值增益。达到阈值增益所需的注入电流称为阈值电流。只有当纵向模式的增益大于或等于损耗时，即激光输出在该频率下形成时，纵向模式才能成为工作模式。具有两个以上纵模的激光器称为多纵模激光器。通过向光学腔中添加色散元件或使用外部腔反馈，激光器只能以一种模式被激发。这种激光器被称为单纵模激光器。半导体激光器的结构，最简单的半导体激光器由薄的有源层(厚度约为0.1m)、p型和n型限制层组成，如图所示。大面积半导体激光器，半导体激光器结构，这种激光器面积大，称为大面积激光器。为了解决横向辐射和光限制的问题，实际的激光器采用增益导向和折射率导向的结构。首先，对于增益引导半导体激光器的光限制问题的简单解决方案是将注入电流限制在窄条上。这种激光器被称为条形半导体激光器，其结构如图所示。绝缘层电介质(二氧化硅)沉积在中间开口的P层上以注入电流。由于光的限制是通过中间条纹区的增益来实现的，所以这种激光器被称为增益导向半导体激光器。增益导向半导体激光器2。折射率引导的半导体激光器通过在横向方向上将折射率差引入由异质结状设计形成的波导中，也可以解决横向方向的光限制问题。半导体激光器的结构称为折射率导向半导体激光器。折射率导向半导体激光器、半导体激光器的结构、半导体激光器的特性，即砷化镓双异质结激光器的光谱特性。图4 . 4 . 3-1 GAAIAS双异质结激光器光谱特性图的波长取决于激光器的光腔长度，称为激光器的纵模，以及半导体激光器特性2。当驱动电流足够大时，多纵模变成单纵模，当驱动电流足够大时，称为静态单纵模激光器。第二，激光束的空间分布近场是指激光器反射器上的光强分布，而远场是指离反射器一定距离处的光强分布。因为激光腔是矩形光波导结构，所以近场分布表征其横向模式。在平行于结合面的方向上，光强呈现周期性的空间分布，这被称为多横模。在垂直于结平面的方向上，因为谐振腔非常薄，所以该方向上的场模式总是单一的横向模式。典型激光二极管的远场辐射特性图是典型激光二极管的远场辐射特性图，图中平行于接面和垂直于接面的辐射角分别为，整个光束的横截面为椭圆形。半导体激光器特性2、3、转换效率和输出光功率特性激光器的光转换效率由外部差分量子效率和半导体激光器特性2表示，它们被定义为每对复合载流子在4.4.3-1的阈值电流以上产生的光子数，从而获得4.4.3-2，其中P和I是t当时，激光发出自发辐射光。当时，它发射受激辐射光，光功率随着驱动电流的增加而增加。半导体激光器