半导体激光器工作原理及基本结构 - 副本 - 副本.ppt

1、半导体，固体激光器，半导体，固体激光器，工作原理和基本结构器件分类(主要参数)应用，半导体激光器的工作原理和结构，半导体激光器根据不同的泵浦方式可分为注入激光器，光泵激光器和电子束泵激光器。注入激光器利用同质结构或异质结将大量过剩载流子(电子-空穴对)注入有源区，形成粒子数反转。这种激光器是目前应用最广泛的半导体激光器之一，因为它容易实现直流调制输出，所以我们将重点研究注入式半导体激光器的工作原理。半导体激光器的工作原理和结构。注入式半导体激光器是一种在电流注入下能够发射相干辐射光(相位相同，波长基本相同，强度较高)的光电器件。半导体激光器的工作原理，三个工作元件：激光辐射，谐振腔，增益大于或

2、等于损耗。自发光辐射和激光辐射，自发光辐射(发光二极管)当器件正向偏置时，氮区将电子注入磷区，磷区将空穴注入氮区。在有源区，电子和空穴自发复合形成电子-空穴对，以光子的形式释放多余的能量。发射的光子具有不同的相位和方向。这种辐射被称为自发辐射。在设计激光辐射材料(半导体激光器)时，考虑了重掺杂P区和N区的过程，使辐射光严格在pn结平面内传播，具有较好的单色性和较高的强度。这种光辐射被称为激光辐射。法布里-珀罗谐振器(形成相干光)，两个垂直于结平面的平行晶体解理面形成法布里-珀罗谐振器，这两个解理面是谐振器的镜面。在两个端面镀上高反射膜和抗反射膜可以提高激光效率。腔长=半波长的整数倍L=m/(2

3、n)，增益和阈值电流，增益：在注入电流的作用下，有源区的受激辐射不断增强。损耗：受激辐射在谐振腔中来回反射时的能量损耗。包括载流子吸收、缺陷散射和端面传输损耗。阈值电流：增益等于损耗时的注入电流。半导体激光器分类(材料和波长)，可见光：GaAs衬底InGaS/GaAs 480490纳米蓝绿色InGaAlP/GaAs 630680纳米AlGaS/GaAs 720760纳米近红外长波长：GaAs衬底AlGaS/GaAs 760900纳米InGaS/GaAs 980纳米远红外长波长：InP衬底InGaAsP/InP 1.3微米1.48微米1.55微米输出激光可以是连续(连续)、准连续(QCW)和脉冲

4、。随着科学技术的发展，半导体激光器的功率可以达到很高的水平，光束质量也有了很大的提高，因此半导体激光器的应用范围日益扩大，不仅可以作为光纤通信的光源和指示器，还可以通过大规模集成电路平面工艺形成光电子系统；目前，它已经扩展到以下应用：固态激光泵浦、打印、激光医疗和卫星通信。因为半导体激光器可以通过改变磁场或调节电流(热效应)来实现波长调谐，并且可以获得线宽非常窄的激光输出，所以可以利用半导体激光器进行高分辨率光谱研究。此外，波长为633635纳米的半导体激光器种类很多，其中一些质量很好，可以替代现有的氦氖激光器。它能更好地匹配打印机和复印机的光学衍生物的光谱性能，从而促进激光打印机和静电复印机

5、的发展。如果采用适当的光学系统来进一步提高激光器的光束质量，半导体激光器也有可能进入精确的计量测试。例如，由半导体激光器组成的激光干涉仪可以测量光程差，而不使用其频率调制特性和计数大量干涉条纹，从而可以获得几何长度。总之，随着自身质量和性能指标的提高，应用前景广阔半导体激光器在军事上的应用：1。激光引信。半导体激光器是唯一可以用于导弹引信的激光器。激光近炸引信能准确确定起爆点，具有良好的电磁干扰能力，已在多种导弹和炸弹中得到应用；2.激光制导。它使导弹在激光束中飞行，直到摧毁目标；3.激光测距。主要用于反坦克武器和航空、航天等领域；4.激光雷达。高功率半导体激光器已经用于激光雷达系统。小型激光

6、雷达已用于常规武器的自动目标识别和瞄准校正系统、机器人视觉系统和自主飞行器控制系统。5.激光模拟。这是用于军事训练和学习的半导体激光技术。通过调整光束的方向来模拟任何武器的特性，步枪和火炮已经被成功地模拟出来。半导体激光器在工业技术中的应用：1。光纤通信。光纤通信已经成为现代通信技术的主流。半导体激光器是光纤通信系统中唯一实用的光源。2.光盘访问。半导体激光器已经用于光盘存储器，它们最大的优点是存储了大量的信息。使用蓝色和绿色激光可以大大提高光盘的存储密度；3.光谱分析。远红外可调谐半导体激光器已被用于环境气体分析、空气污染监测、汽车尾气等；4.光学信息处理。半导体激光器已经用于光学信息处理系

7、统。表面发射半导体激光器和二维阵列是光学并行处理系统的理想光源，可用于光学计算和光学神经网络。5.激光微机械加工利用调Q开关产生的高能超短光脉冲，对集成电路进行切割和打孔。半导体激光器在工业技术中的应用：6。激光报警器。半导体灯报警器应用广泛，包括防盗报警器、水位报警器、车距报警器等；7.激光打印机。大功率半导体激光器已经用于激光打印机，使用蓝色和绿色激光可以大大提高打印速度和分辨率；8.激光条形码扫描仪。激光条形码扫描仪已广泛应用于商品销售和图书档案管理。半导体激光器在医学和生命科学研究中的应用：1。激光外科治疗。半导体激光器已经用于软组织切除、组织粘合、凝固和气化。普通外科、整形外科、皮肤

8、科、泌尿科、妇产科等2。激光动态疗法。将对肿瘤有亲和力的感光物质选择性地聚集在肿瘤组织中，用半导体激光照射肿瘤组织，产生活性氧，瞄准坏死，不损伤健康组织；3.生命科学研究。使用半导体激光的“光镊”可以捕获活细胞或染色体，并将它们移动到任何位置，这已被用于促进细胞合成和细胞相互作用。在固体激光器中，泵浦系统辐射的光能通过聚焦腔，使得固体工作物质中的活化粒子(即少量的活化离子均匀地掺杂在晶体或玻璃中作为基体材料)能够有效地吸收光能，使工作物质中的粒子数反转，然后通过谐振腔输出激光。如图所示，固态激光器的基本结构(一些结构未示出)。固体激光器主要由五部分组成：工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔

9、和冷却滤波系统。固态激光器的基本原理和结构，聚光腔是使光源发出的光会聚到工作物质上。工作物质吸收足够的光能，激发大量粒子，并促进粒子数的反转。当谐振腔中的增益大于损耗时，产生谐振腔振荡，激光束从部分反射镜的一端输出。工作物质有两个主要功能：首先，它产生光；其次，光束作为介质传播。固态激光器的分类(工作物质和输出波长)，1。可调谐近红外固态激光器1988年，Petricev等人发现4价铬(铬可以掺入4价Mg2SiO4的四方晶格中)被称为镁橄榄石。镁橄榄石通常由NdYA G激光器泵浦，可以在1，1301，367纳米之间调谐，以锁模方式输出几瓦功率。晶体也是被动调Q含钕激光器的良好介质。1988年，

10、利福莫尔实验室成功开发了Crlisa F。它主要用于超短脉冲的产生和放大。它的优点是在780纳米到990纳米之间可调，并具有良好的热力学性质。它为快速研究材料处理、组织消融、化学和生物过程提供了重要手段。还可以通过腔内倍频蓝光输出和调Q开关进行遥感水汽探测。2.可调谐紫外Ce3激光器CeLiSA F由于其特殊的性质与染料激光器相似。它可以是侧面泵浦和端面泵浦，波长在280-320纳米之间，可调谐平均功率为100毫瓦。3.室温下可调谐中红外Cr2激光器，可调谐中红外固体激光器的发射，由于其工作波长长、频带宽，导致非辐射延迟增加(泵浦光变成热而不是激光辐射)。Cr2 ZnSe激光器首次在室温下获得

11、了可调谐的中红外激光发射，不受无辐射延迟的厄运影响。这种材料的吸收和发射光谱表明，1800纳米二极管泵浦可以提供22003000纳米之间的可调发射波长。4.由于钇铝石榴石晶体的热负荷很低(约为钕钇铝石榴石晶体的1/3)，用943纳米二极管端面泵浦镱(镱)激光器可以获得150瓦以上的功率。此外，900纳米激光二极管泵浦掺镱氟磷Sr5PO43FYbS-FA P可产生输出功率为50W的1047纳米激光。5.掺钛蓝宝石激光器掺钛蓝宝石激光器是以TiA l2O3晶体为激光介质的激光器(简称TiS激光器)，具有调谐范围宽、输出功率高、转换效率高、工作模式多样等特点。固态激光器的应用，广泛应用于军事、加工、

12、医疗和科学研究领域。它通常用于测距、跟踪、制导、钻孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气探测、光谱研究、外科手术和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息术和激光核聚变。固态激光器也被用作可调谐染料激光器的激发源。固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻找波长可调的新工作材料、提高激光器的转换效率、提高输出功率、改善光束质量、压缩脉冲宽度、提高可靠性和延长工作寿命。与固态激光器相比，半导体激光器和固态激光器是以固态激光材料为工作物质的激光器。半导体激光器是电激发的，它直接将电能转换成光能，转换效率高达50%。固态激光器是光学激发的，被激活的粒子需要吸收光能，然后产生受激振荡；半导

13、体泵浦的转换效率一般在15%左右，灯泵浦的激发效率一般在4%左右。半导体激光器的主要特点是：体积小，重量轻；高功率转换效率；调谐可以通过改变温度、掺杂量、磁场、压力等来实现。其缺点是激光发散角大，单色性差，输出功率也小。目前，新型半导体激光器可以获得更高的输出功率，但是为了获得更高的输出功率，通常可以将许多单个半导体激光器组合在一起形成一个半导体激光器阵列，也就是说，可以通过光刻刻蚀将几个单个器件分割在同一个完整的pn结衬底上，或者将许多单个激光器排列成一定的形状，然后将它们并联或串联。目前，100WQCW线阵和s000WQCW叠阵(波长780815米)已经投放市场。固态激光器可以用作高能量和高功率的相干光源。红宝石脉冲固体激光器的输出能量可达千焦