2021-2022学年高二物理竞赛典型激光器 课件

1、典型激光器原子相互影响，使能级表现为能带导带和价带，热平衡状态下，电子基本处于价带中，导带是空着的，导带和价带之间无能级，称为禁带，图中EF称为费米能级，是全满能级和全空能级的分界面 ，表征电子在能级中填充的情况。 由于电子基本处于价带中，导带是空着的，外来光作用下，受激吸收优于受激辐射，故无法产生激光。典型激光器非热平衡状态下，部分电子处于价带中，部分电子处于导带，这时，如果有外来光作用，诱导高能态电子往下跃迁，可能使得受激辐射优于受激吸收，产生激光。但是，这对于常温下的均匀的半导体材料是不可能的，这时必须引入两个费米能级EFc 和EFv，必须采用重掺杂的PN结结构,并加上足够的正向电压。典

2、型激光器半导体费米能级EF本征半导体：EF位于禁带中心。P型半导体：空穴多，EF降低，重掺杂时，EF进入价带N型半导体：电子多，EF升高。重掺杂时，EF进入导带典型激光器 重渗杂的p-n结形成过程中, 电子从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，直至将费米能级拉平(EFN=EFP)为止，载流子停止流动。在耗尽区导带和价带都发生弯曲。p-n结能带接触前能级图PEFpNEFnPN 接触后平衡态p-n结能带图EcEvEF重掺杂典型激光器(1)粒子数反转未加正向电压时,由于自建电场的作用，形成接触电位差VD ，即高度为eVD=EFn-EFp的势垒.半导体激光器工作原理接触前能级图PEFpNEFnPN

3、 接触后平衡态p-n结能带图EcEvEF重掺杂典型激光器加正向电压V时，PN结有正向净电流流过，称为“载流子注入”。外电场部分抵消自建场的作用，使PN结的势垒由eVD下降为e(VD-V）, N区的费米能级相对于P区升高了eV。这时结区的统一费米能级不复存在，形成结区的两个费米能级EFc和EFv，称为准费米能级，且eV=EFC-EFV。 e(VD - V）EFcEcEFvEvPN未加电压时p-n结能带图EcEvEF典型激光器 e(VD - V）EFcEcEFvEv在结区, 出现四能级结构：EFV E1，Ev E2(激光下能级)，EcE3(激光上能级)，EFC E4，粒子数的反转就发生在Ec和EV

4、之间，外来光子作用下，电子与空穴复合而发光，相当于受激辐射。这很薄的结区，就是外来光子与半导体作用，从而产生激光的区域。典型激光器 粒子数反转的条件：eV=EFc-EFvEc-Ev=Eg，这就要求重掺杂,并加足够的正向电压V. e(VD - V）EFcEcEFvEv典型激光器 e(VD- V）EFcEcEFvEv（2）输出特性最小注入电流阈值电流，是半导体激光器的重要参数之一，与材料、工艺结构等因素密切相关，且随温度升高而增大。 注入电流低于、等于、高于阈值电流时，p-n结激光器的光输出与频率的关系不同.输出的波长 = Eg/h 典型激光器半导体激光器的谐振腔 直接利用半导体的解理面组成的平行

5、平面组成谐振腔。 反射率通常在30-50%，表明损耗较大，但半导体的转换效率很高，达30%以上，足以维持足够的增益。 此外，通过镀膜，还可提高端面的反射率，获得更高的增益。典型激光器半导体激光的模与光束发散角（1）横模：横模较差，形状不圆。 （2）纵模：因腔长较短,纵模间隔大,容易获得单纵模.（3）光束发散角：发散角较大，可达20300典型激光器 常见半导体激光器（1）同质半导体激光器 同质半导体激光器以GaAs激光器为代表，发射波长为0.84um，效率为30%，发散角约5o。缺点：阈值电流正比于温度的立方，只能在低温（液氮）下连续工作，室温下只能脉冲工作，寿命较短。分为同质结激光器和异质结激

6、光器两种。同质结：由同种半导体材料组成的p-n结。异质结：由不同半导体材料组成的p-n结。典型激光器（2）异质p-n结激光器 三层结构，中间层的折射率最大，形成波导结构，使激光发射约束在中间层，提高激光转换效率。阈值电流大为降低，可在室温下连续工作。目前商品化的连续半导体激光器几乎均为双异质结型。(3)量子阱激光器: 双异质结的微型化、多层化.典型激光器半导体激光器的主要应用不同材料,产生的激光波长不同,也就有不同的应用.第一类: 以GaAs(砷化镓)和Ga1-xAlxAs为基础：波 长约为0.85m, 用于短距离光通信和固体 激光器泵浦源。第二类：以InP(磷化铟)和Ga1-xInxAs1-yPy为基础： 波长为0.91.65m,其中1.3m和 1.55m则广泛用于光纤通信。典型激光器第三类：以Ga1-xAlxA