快速了解激光器原理

快速了解激光器原理第一页，共二十二页，编辑于2023年，星期六一、光子与载流子的相互作用《半导体物理》：与激光发射相关的三个基本跃迁过程第二页，共二十二页，编辑于2023年，星期六一、光子与载流子的相互作用1.吸收ħω作用前E2E1如果光子能量ħω=E2-E1作用后E2E1第三页，共二十二页，编辑于2023年，星期六一、光子与载流子的相互作用2.自发辐射LED的主要跃迁过程ħω作用前E2E1作用后E2E1其中，发射出光子能量ħω=E2-E1第四页，共二十二页，编辑于2023年，星期六一、光子与载流子的相互作用3.受激辐射半导体激光器的主要跃迁过程ħωE2E1E2E1作用前作用后ħωħω处于激发态E2的原子受能量为ħω的光子作用，跃迁回基态E1，并发射出一个能量为ħω的光子。这个光子与入射光子频率、相位、方向和偏振态等完全相同。这是与自发辐射最大的不同。第五页，共二十二页，编辑于2023年，星期六二、半导体激光器原理半导体激光器要想实现激射需要满足的条件：条件1.粒子束反转分布发生激射光量子放大处于高能级的原子数﹥处于低能级原子数通常：处于高能级的原子数﹤处于低能级原子数第六页，共二十二页，编辑于2023年，星期六二、半导体激光器原理首先出现的是同质结半导体激光器为实现粒子束反转，要使将p区和n区重掺杂由于同质结激光器在实际应用中的诸多限制基本被淘汰。EcEvEgPn阴影为电子填充状态第七页，共二十二页，编辑于2023年，星期六二、半导体激光器原理条件2.谐振腔一定频率的受激辐射，在谐振腔内来回反射，形成两列方向相反的波叠加，形成驻波。只有满足

（m=整数）的驻波存在，并形成振荡，不满足的将损耗。条件一光量子放大产生单色性好强度大的非相干光产生单色性好强度大的相干光谐振腔第八页，共二十二页，编辑于2023年，星期六二、半导体激光器原理条件3：注入电流密度至少达到阈值电流密度在注入电流作用下，激活区内受激辐射增强称为增益，记g为增益系数，则有增益情况随长度变化规律：激活区也存在损耗包括载流子吸收、缺陷散射和端面透射损耗等。记α为损耗系数，同样有损耗情况随长度变化规律：第九页，共二十二页，编辑于2023年，星期六二、半导体激光器原理只有当注入电流大到使增益和损耗相等时，才开始激射。此时的注入电流称阈值电流，增益称阈值增益。另外，设腔长为l,反射面反射系数为R，则有：激光器有效工作降低阈值减少损耗α和增大发射系数R第十页，共二十二页，编辑于2023年，星期六三、半导体异质结激光器原理单异质结激光器优于同质结激光器的特点：1.AlGaAs的禁带宽度大于GaAs。故从n-GaAs注入的电子因异质结处较大的势垒而停留在p-GaAs，电子浓度增加提高了增益。2.AlGaAs的折射率小于GaAs，使光受反射而限制在p区，减少非激活区对光子吸收，减少损耗。p⁺-AlxGa1-xAsP-GaAsn-GaAs第十一页，共二十二页，编辑于2023年，星期六三、半导体异质结激光器原理双异质结激光器双异质结存在两个AlGaAs-GaAs壁，除了具有单异质结的优点外，还避免了单异质结的空穴注入现象，因此比单异质结具有更低的阈值电流密度、更高的效率和更长的寿命。p-AlxGa1-xAsP-GaAsn-AlxGa1-xAsn-GaAs第十二页，共二十二页，编辑于2023年，星期六四、半导体量子阱激光器

单量子阱激光器和多量子阱激光器单量子阱激光器（SQW）多量子阱激光器(MQW)n由上式可知，SQW的光限制因子小。因为，量子阱厚度很薄（几百Å以下），故载流子收集能力弱。第十三页，共二十二页，编辑于2023年，星期六四、半导体量子阱激光器优点：1.低阈值电流特性虽然量子阱激光器的光限制因子小了，但是量子阱材料的增益系数比体材料大近三个数量级，因此，量子阱激光器的阈值电流密度低。2.高的特征温度在二维电子气系统中，台阶状态密度分布使得准费米能级位置受温度影响的灵敏度比体材料器件低的多第十四页，共二十二页，编辑于2023年，星期六五、VCSEL

边发射激光器(a)与面发射激光器(b)前面所讲的半导体激光器大多是边发射的，如图（a）下面介绍的VCSEL也就是所谓的垂直腔面发射激光器如图（b）第十五页，共二十二页，编辑于2023年，星期六五、VCSEL常见的VCSEL结构谐振腔由三部分组成TopDBRActivelayerBottomDBR第十六页，共二十二页，编辑于2023年，星期六五、VCSELDBR是由折射率不同的两种薄膜构成的多层膜系，每层膜的光学厚度是四分之一波长，一组DBR一般由20-40对薄膜组成。谐振腔的厚度一般在几个微米左右。VCSEL有源层的增益长度极小(几十纳米)。为了实现激射，DBR必须具有很高的反射率(一般大于99%)。第十七页，共二十二页，编辑于2023年，星期六五、VCSEL第十八页，共二十二页，编辑于2023年，星期六

First102nmUltra-WidelyTunable

MEMSVCSELBasedonInP

Author：TobiasGruendlUniversity：

TechnischeUniversitätMünchen(慕尼黑理工大学)第十九页