半导体激光器课件

（1）受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv（2）自發輻射（3）受激輻射

三種躍遷

雷射器

設在單位物質內，處於低能級E1和處於高能級E2的原子數分別為N1和N2。當系統處於熱平衡狀態時，原子分佈遵循玻耳茲曼統計分佈

式中，，為玻耳茲曼常數，T為熱力學溫度。§2.2雷射器w32w2

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13w1圖：三能級系統示意圖

一、鐳射的形成1.粒子數反轉通過外加能量打破封閉系統的熱平衡，實現粒子數反轉。§2.2雷射器 2.光學諧振腔注入電流有源區解理面解理面L增益介質R1R2z=0z=L3.工作條件振幅條件相位條件§2.2雷射器

二、鐳射腔模式及其頻率鐳射腔模式是指鐳射腔內穩定鐳射場的分佈形式，其中沿腔縱軸方向的穩定分佈稱為縱模。有2個以上縱模激振的雷射器，稱為多縱模雷射器。通過在光腔中加入色散元件或採用外腔回饋等方法，可以使雷射器只有一個模式激振，這樣的雷射器稱為單縱模雷射器。縱模頻率是指在自發輻射譜內滿足諧振條件，且損耗小於增益的頻率。§2.2雷射器

諧振頻率

諧振條件即：腔內允許間隔為c/2nl的m倍的不同頻率的光場在其中振盪c/2nL(a)縱模分佈

增益曲線損耗I(b)工作模式§2.2雷射器例：某一雷射器腔長L=300mm,工作物質折射率為n=1,求：（1）滿足相位條件的最低諧振頻率（2）若此雷射器自發輻射峰值波長為632.8nm，且輻射光譜帶寬為1.5×109Hz，那麼該雷射器有多少個縱模頻率（假設損耗很小）？三、半導體雷射器的結構最簡單的半導體雷射器由一個薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構成，如圖2.2.2-1所示。圖2.2.2-1大面積半導體雷射器解理面金屬接觸電流有源層P型N型300μm100μm200μm解決光限制問題的一種簡單方案是將注入電流限制在一個窄條裏，這樣的雷射器稱為條形半導體雷射器，其結構如圖2.2.2-2所示。將一絕緣層介質(SiO2)澱積在P層上，中間敞開以注入電流。由於光限制是借助中間條形區的增益來實現的，這樣的雷射器稱為增益導引型半導體雷射器。圖2.2.2-2增益導引型半導體雷射器P-InPInGaAsPN-InPN+-InP襯底P-InGaAsP絕緣介質折射率導引型半導體雷射器。圖2.2.2-3折射率導引型半導體雷射器P-InPInGaAsP有源層N-InPN+-InP襯底接點SiO2SiO2四、半導體雷射器特性光譜特性圖2.2.3-1為GaAIAs雙異質結雷射器的光譜特性832830828826824832830828826824832830828826824驅動電流增大→→圖2.2.3-1GaAIAs雙異質結雷射器的光譜特性示意圖圖2.2.3-2為典型LD的遠場輻射特性

圖2.2.3-2為典型LD的遠場輻射特性，圖中與分別為平行於結平面和垂直於結平面方向的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。1.00.80.60.40.20

發射光功率P/mW

804004080

輻射角θ(度)相對光強

雷射光束的空間分佈

雷射器的電—光轉換效率用外量子效率543210

050100I/mA發射光功率

圖2.2.3-3典型LD的光功率特性曲線

輸出光功率轉換效率與輸出光功率特性

溫度特性

圖2.2.3-4LD的P-I曲線隨溫度的變化543210050100I/mA

發射光功率22℃

50℃

70℃

特點：雷射器的閾值電流隨溫度升高而增大外量子效率隨溫度升高而減小。

五、雷射器的應用

舞臺燈鐳射筆鐳射武器鐳射武器鐳射武器鐳射武器－光劍鐳射武器－光劍

脈衝鐳射測距利用了鐳射的方向性強、能量時空相對集中的優點。脈衝鐳射測距在有反射器的情況下(見下圖，在2處裝有反射器)，可以達到極遠的測程。

在1處產生的鐳射，經過待測的路程射向2處。在2處裝有向1處反射的裝置，1處至2處間的距離D是待測的。如果在1處有一種裝置，它能夠測出脈衝鐳射從1處到達2處再返回1處所需要的時間t，則

D=ct/2

式中c為光的傳播速度。

應用舉例－－脈衝鐳射測距圖：脈衝鐳射測距原理圖

它由脈衝鐳射發射系統、接收系統、控制電路、時鐘脈衝振盪器以及計數顯示電路等組成圖:脈衝鐳射測距的方框圖

由光電器件5得到的電脈衝，經放大器7以後，輸出一定形狀的負脈衝至控制電路8。由參考信號產生的負脈衝A(圖(d))經控制電路8去打開電子門12。這時振盪頻率一定的時鐘振盪器11產生的時鐘脈衝