半導體激光器工作原理及基本結構副本副本

1、半導體、固體激光器半導體、固體激光器n工作原理及基本結構n器件分類（主要參數(shù)）n應用半導體激光器工作原理及結構n半導體激光器按泵浦方式不同，可以分為注入式激光器、光泵激光器和電子束泵浦激光器。其中注入式激光器是利用同質結構或異質結將大量的過剩載流子(電子一空穴對)注入激活區(qū)以形成集居數(shù)反轉。這類激光器由于容易實現(xiàn)電流直接調制輸出，因此它是目前使用最為廣泛的一種半導體激光器，所以接下來我們來著重介紹一下注入式半導體激光器的工作原理。半導體激光器工作原理及結構n注入式半導體激光器 是一種在電流注入下能夠發(fā)出相干輻射光（相位相同、波長基本相同、強度較大）的光電子器件。 半導體激光器工作原理n工作三要

2、素： 受激光輻射、諧振腔、增益大于等于損耗。自發(fā)光輻射和受激光輻射n自發(fā)光輻射（發(fā)光二極管） 當給器件加正向偏壓時，n區(qū)向p區(qū)注入電子，p區(qū)向n區(qū)注入空穴，在激活區(qū)電子和空穴自發(fā)地復合形成電子-空穴對，將多余的能量以光子的形式釋放出來，所發(fā)射的光子相位和方向各不相同，這種輻射叫做自發(fā)輻射。n受激光輻射（半導體激光器） 在材料設計時，考慮將p區(qū)和n區(qū)重摻雜等工藝，使得輻射光嚴格在pn結平面內傳播，單色性較好，強度也較大，這種光輻射叫做受激光輻射。法布里-珀羅諧振腔 (形成相干光)n垂直于結面的兩個平行的晶體解理面形成法布里-珀羅諧振腔 ，兩個解理面是諧振腔的反射鏡面。在兩個端面上分別鍍上高反膜和

3、增透膜，可以提高激射效率。n一定波長的受激光輻射在諧振腔內形成振蕩的條件: 腔長=半波長的整數(shù)倍 L=m(/2n)增益和閾值電流n增益：在注入電流的作用下，激活區(qū)受激輻射不斷增強。n損耗：受激輻射在諧振腔中來回反射時的能量損耗。包括載流子吸收、缺陷散射及端面透射損耗等。n閾值電流：增益等于損耗時的注入電流。半導體激光器的分類（材料和波長）n可見光： GaAs襯底 InGaN/ GaAs 480490nm 藍綠光 InGaAlP/GaAs 630680nm AlGaAs/GaAs 720760nmn近紅外長波長： GaAs襯底 AlGaAs/GaAs 760900nm InGaAs/GaAs 9

4、80nmn遠紅外長波長： InP襯底 nInGaAsP/InP 1.3um 1.48um 1.55umn輸出激光可以是連續(xù)的(CW)、準連續(xù)(QCW)的和脈沖(Pulse)的。半導體激光器的應用n隨著科學技術的發(fā)展，目前半導體激光器的功率可以達到很高的水平，而且光束質量也有很大提高，因此半導體激光器的應用范圍日益擴大，不僅可以作為光纖通信的光源和指示器，以及通過大規(guī)模集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng);目前已經擴展到下列應用范圍:固體激光器的泵浦、打印、激光醫(yī)學治療和衛(wèi)星通訊等。由于半導體激光器可以通過改變磁場或調節(jié)電流(熱效應)實現(xiàn)波長調諧，且已經可以獲得線寬很窄的激光輸出，因此利用半導體激光器

5、可以進行高分辨光譜研究。此外，現(xiàn)在波長633635nm的半導體激光器的品種不少，有的質量很好，有可能代替現(xiàn)有的He-Ne激光器，它可以與打印機、復印機的光導數(shù)的光譜性能更好地匹配，從而促進激光打印機和靜電復印機的發(fā)展，如果采用適當?shù)墓鈱W系統(tǒng)，進一步改善激光器的光束質量，也有可能使半導體激光器進入精密計量測試。例如用半導體激光器構成激光干涉儀，例用它的頻率調制特性，可以不用異軌也不數(shù)大量干涉條紋就能測量出光程差，從而可以求出幾何長度?？傊雽w激光器隨著它本身質量和性能指標提高，它的應用前景必然是越來越廣闊。半導體激光器的應用在軍事上的應用： 1. 激光引信。半導體激光器是唯一能夠用于彈上引信

6、的激光器。激光近炸引信能夠準確的確定起爆點，并有很好的電磁干擾能力，已在多種導彈和炸彈上使用； 2. 激光制導。它使導彈在激光射束中飛行直至摧毀目標； 3. 激光測距。主要用于反坦克武器以及航空、航天等領域； 4. 激光雷達。高功率半導體激光器已用于激光雷達系統(tǒng)。小型激光雷達已用于常規(guī)兵器的自動目標識別和瞄準修正系統(tǒng)、機器人視覺系統(tǒng)和自主飛行器控制系統(tǒng)。 5. 激光模擬。這是半導體激光器用于軍事訓練和學習的技術，通過調節(jié)射束的方位來模擬任何武器特征的目的，已經成功的模擬了步槍、火炮等。半導體激光器的應用在產業(yè)技術上的應用： 1. 光纖通信。光纖通信已經成為當代通信技術的主流。半導體激光器是光纖

7、通信系統(tǒng)的唯一實用化的光源； 2. 光盤存取。半導體激光器已經用于光盤存儲器，其最大優(yōu)點就是存儲信息量很大。采用藍、綠激光能夠大大提高光盤存儲密度； 3. 光譜分析。遠紅外可調諧半導體激光器已經用于環(huán)境氣體分析，監(jiān)測大氣污染、汽車尾氣等； 4. 光信息處理。半導體激光器已用于光信息處理系統(tǒng)。表面發(fā)射半導體激光器，二維列陣是光并行處理系統(tǒng)的理想光源，可用于光計算和光神經網絡。 5. 激光微細加工。借助于Q開關產生的高能量超短光脈沖，對集成電路進行切割、打孔等。 半導體激光器的應用在產業(yè)技術上的應用： 6. 激光報警器。半導體光報警器的用途甚廣，包括防盜竊報警、水位報警、車距報警等； 7. 激光打

8、印機。高功率半導體激光器已經用于激光燈打印機，采用藍、綠激光能夠大大提高打印速度和分辨率； 8. 激光條碼掃描器。激光條碼掃描器已廣泛用于商品的銷售以及圖書和檔案的管理。 半導體激光器的應用在醫(yī)療和生命科學研究方面應用： 1. 激光手術治療。半導體激光已經用于軟組織切除，組織接合、凝固和氣化。普通外科、整形外科、皮膚科、泌尿科、婦產科等； 2. 激光動力學治療。將對腫瘤有親合性的光敏物質有選擇的聚集于癌組織內，通過半導體激光照射使癌組織產生活性氧，旨在使其壞死而對健康組織毫無損害； 3. 生命科學研究。使用半導體激光的“光鑷”，可以捕捉活細胞或染色體并移至任意位置，已經用于促進細胞合成、細胞相

9、互作用等研究。固體激光器基本原理及基本結構n在固體激光器中，由泵浦系統(tǒng)輻射的光能，經過聚焦腔，使在固體工作物質（即在作為基質材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子）中的激活粒子能夠有效的吸收光能，讓工作物質中形成粒子數(shù)反轉，通過諧振腔，從而輸出激光。n如圖所示，固體激光器的基本結構（有部分結構沒有畫出）。固體激光器主要由工作物質、泵浦系統(tǒng)、聚光系統(tǒng)、光學諧振腔及冷卻與濾光系統(tǒng)等五個部分組成。固體激光器基本原理及基本結構n 聚光腔是使光源發(fā)出的光都會聚于工作物質 上。工作物質吸收足夠大的光能，激發(fā)大量的粒子，促成粒子數(shù)反轉。當增益大于諧振腔內的損耗時產生腔內振蕩并由部分反射鏡一端輸出一束激光。工

10、作物質有兩條主要作用：一是產生光；二是作為介質傳播光束。固體激光器的分類（工作物質和輸出波長）n1.可調諧近紅外固體激光器 1988年，Petricev等發(fā)現(xiàn)4價鉻（Cr可摻合到4配價的Mg2SiO4四方晶格中）Cr Mg2SiO4稱之為鎂橄欖石。鎂橄欖石通常被Nd YA G激光器泵浦，并且可調諧在1,1301,367nm之間，以鎖模方式輸出幾瓦的功率。Cr YA G也是不主動Q開關含釹激光器的良好介質。Cr LiSA F1988年由Livemor實驗室研制成功，主要用于超短脈沖的發(fā)生和放大，具有從780nm990nm可調諧的優(yōu)點，并有較好的熱力學性質。為材料處理、組織消融、化學和生物過程的快

11、速研究提供了重要的手段。Cr LiSA F也可通過腔內倍頻藍光輸出和Q開關用于遙感水蒸汽的檢測。n2.可調諧紫外Ce3+激光器 Ce LiSA F由于其特有性質，基本的激光物理性質類似于染料激光器?？杀粋让姹闷趾投嗣姹闷?，波長在280320nm之間，可調諧平均功率100mW。n3.可調諧中紅外Cr2+激光器 室溫條件下，可調諧中紅外固體激光器的發(fā)射，由于工作波長較長和頻帶較寬，導致了非輻射延遲的增加(將泵浦光轉變?yōu)闊?，而不是激光輻?Cr2+ ZnSe激光器首先獲得了室溫下的可調諧中紅外激光發(fā)射，并未受到非輻射延遲的晦氣影響。這種材料的吸收和發(fā)射光譜顯示可用1800nm二極管泵浦提供2,200

12、3,000nm之間的可調諧發(fā)射波長。n4.鐿（Yb）激光器 由于Yb YA G晶體具有非常低的熱載荷（大約是Nd YA G晶體的1/3）用943nmInGaA 二極管端面泵浦就可得到大于150W功率。另外摻鐿的氟磷Sr5PO43FYb S-FA P用900nm激光二極管泵浦可以產生1,047nm激光，輸出功率50W。n5.摻鈦藍寶石激光器 摻鈦藍寶石激光器是以TiA l2O3晶體為激光介質的激光器(簡稱Ti S激光器)具有調諧范圍寬、輸出功率大、轉換效率高、運轉方式多樣等特點。固體激光器的應用n固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和科學研究領域有廣泛的用途。它常用于測距、跟蹤、制導、打孔、切割和焊接、

13、半導體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測、光譜研究、外科和眼科手術、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面 。固體激光器還用作可調諧染料激光器的激勵源。n固體激光器的發(fā)展趨勢是材料和器件的多樣化，包括尋求新波長和工作波長可調諧的新工作物質，提高激光器的轉換效率，增大輸出功率，改善光束質量，壓縮脈沖寬度，提高可靠性和延長工作壽命等。半導體激光器與固體激光器的比較n半導體激光器和固體激光器都是以固體激光材料作為工作物質的激光器 ；n半導體激光器是電激勵，直接把電能轉化為光能，轉換效率高達50%以上。固體激光器是光激勵，激活粒子需要吸收光能，然后產生受激振蕩；半導體泵浦轉化效率一般在15%左

14、右，燈泵浦激勵一般在4%左右。n半導體激光器的主要特點是:體積小、重量輕；功率轉換效率高；可以通過改變溫度、摻雜量、磁場、壓力等實現(xiàn)調諧；其缺點是激光的發(fā)散角較大，單色性較差，輸出功率亦較小?，F(xiàn)在新型的半導體激光器已經可以達到較大的輸出功率，而為了得到更大的輸出功率，通?？梢詫⒃S多單個半導體激光器組合在一起形成半導體激光器列陣，即在同一片已做好的P一N結的基片上，用光刻腐蝕方法分成好幾個單個器件，或將許多單個激光器排列成一定形狀，然后將它們并聯(lián)或串聯(lián)起來。目前已有100WQCW線陣和s000WQCW疊陣(波長780815五m)的產品上市。n固體激光器可作大能量和高功率相干光源。紅寶石脈沖固體激光器的輸出能量可達千焦耳級。經調