近代物理小論文

1、近代物理半導體激光器的原理及應用院（部）：專 業(yè)：班 級：姓 名：學 號：1.半導體激光器的原理及特性1.1基本原理半導體材料多是晶體結構。當大量原子規(guī)則而緊密地結合成晶體時，晶體中那些價電子都處在晶體能 帶上。價電子所處的能帶稱價帶（對應較低能量）。與價帶最近的高能帶稱導帶，能帶之間的空域稱為禁 帶。當加外電場時，價帶中電子躍遷到導帶中去，在導帶中可以自由運動而起導電作用。同時，價帶中失 掉一個電子，則相當于出現一個帶正電的空穴，這種空穴在外電場的作用下，也能起導電作用。因此，價 帶中空穴和導帶中的電子都有導電作用，統(tǒng)稱為載流子。摻雜半導體與p-n結。沒有雜質的純凈半導體， 稱為本征半導體。

2、如果在本征半導體中摻入雜質原子，則在導帶之下和價帶之上形成了雜質能級，分別稱 為施主能級和受主能級有施主能級的半導體稱為n型半導體；有受主能級的半導體稱這p型半導體。在常溫下，熱能使n型 半導體的大部分施主原子被離化，其中電子被激發(fā)到導帶上，成為自由電子。而p型半導體的大部分受主 原子則俘獲了價帶中的電子，在價帶中形成空穴。因此，n型半導體主要由導帶中的電子導電；p型半導 體主要由價帶中的空穴導電。半導體激光器中所用半導體材料，摻雜濃度較大，n型雜質原子數一般為25X10i8cm-i； p型為1 3X10i9cm-i。在一塊半導體材料中，從?型區(qū)到n型區(qū)突然變化的區(qū)域稱為p-n結。其交界面處將

3、形成一空間電荷區(qū)。n型 半導體帶中電子要向p區(qū)擴散，而p型半導體價帶中的空穴要向n區(qū)擴散。這樣一來，結構附近的n型區(qū)由于 是施主而帶正電，結區(qū)附近的p型區(qū)由于是受主而帶負電。在交界面處形成一個由n區(qū)指向p區(qū)的電場，稱 為自建電場。此電場會阻止電子和空穴的繼續(xù)擴散。0.0OOO0.0OOO半導體激光器的結構圖半導體激光器的結構圖I11:自建電場的示意圖p-n結電注入激發(fā)機理。若在形成了 p-n結的半導體材料上加上正向偏壓，p區(qū)接正極，n區(qū)接負極。 顯然，正向電壓的電場與p-n結的自建電場方向相反，它削弱了自建電場對晶體中電子擴散運動的阻礙作 用，使n區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下，又源源不斷地

4、通過p-n結向p區(qū)擴散，在結區(qū)內同時存在 著大量導帶中的電子和價帶中的空穴時，它們將在注入區(qū)產生復合，當導帶中的電子躍遷到價帶時，多余 的能量就以光的形式發(fā)射出來。這就是半導體場致發(fā)光的 機理，這種自發(fā)復合的發(fā)光稱為自發(fā)輻射。要使p-n結產生激光，必須在結構內形成粒子反轉分布狀態(tài)，需使用重摻雜的半導體材料，要求注入p-n結的 電流足夠大（如30000A/cm2）。這樣在p-n結的局部區(qū)域 內，就能形成導帶中的電子多于價帶中空穴數的反轉分布 狀態(tài)，從而產生受激復合輻射而發(fā)出激光。半導體激光器結構。如圖為結構圖，其外形及大小與小功率半導體三極管差不多，僅在外殼上多一個激光輸出窗口。夾著結區(qū)的P區(qū)與

5、n區(qū)做成層狀，結區(qū)厚為幾十微米，面積約小于1mm2。半導體激光器的光學諧振腔是利用與p-n結平面相垂直的自然解理面(110面)構成，它有35的反射 率，已足以引起激光振蕩。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化硅，再鍍一層金屬銀膜，可獲得95% 以上的反射率。一旦半導體激光器上加上正向偏壓時，在結區(qū)就發(fā)生粒子數反轉而進行復合 1.2半導體激光器的調制特性激光具有極好的時間相干性和空間相干性，它與無線電波相似，易于調制，且光波的頻率極高，能 傳遞信息的容量很大。加之激光束發(fā)散角小，光能高度集中，既能傳輸較遠距離，又易于保密。因而為光 信息傳遞提供了一種理想的光源。把欲傳輸的信息加載于激光副射的過程

6、稱為激光調制，把完成這一過程的裝置稱為激光調制器，由 已調制的激光輻射中還原出所加載信息的過程則稱為解調。由于激光起到“攜帶”信息的作用，所以稱其 為載波。通常將欲傳遞的信息稱為調制信號。被調制的激光稱為已調波或調制光。激光調制與無線電波調制相類似，激光振蕩的瞬時電場也可表示為：e(t)=Acos(wt+w )式中A為激光振蕩的復振幅，w為調制的角頻率，中為調制的相位角。模擬激光調制可分為調幅、調 頻和調相等類型。按載波的振蕩輸出方式不同又可分為連續(xù)調制、脈沖調制和脈沖編碼調制等。脈沖調制 主要分為脈沖調幅(PAM)、脈沖強度調制(PIM)、脈沖調頻(PFM)、脈沖調位(PPM)及脈沖調寬(P

7、WM) 等類型。脈沖編碼調制(PCM)是先將連續(xù)的模擬信號通過抽樣、量化和編碼，轉換成一組二進制脈沖代 碼，用幅度和寬度相等的矩形脈沖的有、無來表示，再將這一系列反映數字信號規(guī)律的電脈沖加在一個調 制器上以控制激光的輸出。這種調制形式也稱為數字強度調制。1.3半導體激光器的調制方式半導體激光器的激光調制分為內調制和外調制兩類。間接調制是指加載調制信號在激光形成以后進 行的，即調制器置于激光諧振腔外，在調制器上加調制信號電壓，使調制器的某些物理特性發(fā)生相的變化， 當激光通過它時即得到調制。直接調制是指加載的調制信號在激光振蕩的過程中進行，以調制信號的規(guī)律去改變振蕩的參數，從 而達到改變激光輸出特

8、性實現調制的目的。由于直接調制技術具有簡單、經濟、容易實現等優(yōu)點，是低速光纖通信中最常采用的調制方式，但 只適合用于半導體激光器和發(fā)光二極管，這是因為發(fā)光二極管和半導體激光器(對激光器來說，閾值以上 部分)基本上與注入電流成正比，而且電流的變化轉換為光頻調制也呈線性，所以可以通過改變注入電流 來實現光強度調制。直接調制的帶寬：因為半導體激光器的結電容特性，并不能理想工作，激光器對于不 同的輸入頻率，響應并不相同，一般頻率越高，輸出的光強調制振幅越小1. 4半導體激光器的特點由于半導體激光器的體積小、重量輕、結構簡單、光波長可調能量低、壽命較長、易于調制以及價格 低廉等優(yōu)點，使得它已在激光技術中

9、占有顯赫的地位，它的成功應用已遍及電子學以及激光光譜學等許多 重要領域。其中VCSEL型半導體激光器,由于單縱模、波長可連續(xù)調諧、無模式跳躍、波長分布范圍廣等特 點,很適合各種氣體的激光光譜學研究。垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL有如下特點：易于實現二維平面和光電集成：單個VC2SEL激光器僅幾微米大小，有可能在1cm2的芯片上集成百 萬個這種微型激光器。圓形光束易于實現與光纖的有效耦合:VCSEL有徑向對稱的高斯近場分布。因而它們更容易耦合到 光纖或光學器件上芯片生長后無須解理、封裝即可進行“在片”實驗制作工藝簡單，制作成本低。在很寬的溫度和電流范圍內都以單縱模工作。光束發(fā)散角較小，約為5。(5

10、 )有源區(qū)尺寸極小，因而可實現低閾值電流p區(qū)接正極，n區(qū)接負極。顯然，正向電壓的電場與p-n結的自建電場方向相反，它削弱了自建電場對 晶體中電子擴散運動的阻礙作用，使n區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下，又源源不斷地通過p-n結向p 區(qū)擴散，在結區(qū)內同時存在著大量導帶中的電子和價帶中的空穴時，它們將在注入區(qū)產生復合，當導帶中 的電子躍遷到價帶時，多余的能量就以光的形式發(fā)射出來。這就是半導體場致發(fā)光的機理，這種自發(fā)復合 的發(fā)光稱為自發(fā)輻射。要使p-n結產生激光，必須在結構內形成粒子反轉分布狀態(tài)，需使用重摻雜的半導體材料，要求注入 p-n結的電流足夠大(如30000A/cm2)。這樣在p-n結的局部

11、區(qū)域內，就能形成導帶中的電子多于價帶中空 穴數的反轉分布狀態(tài)，從而產生受激復合輻射而發(fā)出激光。半導體激光器結構。如圖為結構圖，其外形及大小與小功率半導體三極管差不多，僅在外殼上多一 個激光輸出窗口。夾著結區(qū)的p區(qū)與n區(qū)做成層狀，結區(qū)厚為幾十微米，面積約小于1mm2。半導體激光器的光學諧振腔是利用與p-n結平面相垂直的自然解理面(110面)構成，它有35的反射 率，已足以引起激光振蕩。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化硅，再鍍一層金屬銀膜，可獲得5% 以上的反射率。一旦半導體激光器上加上正向偏壓時，在結區(qū)就發(fā)生粒子數反轉而進行復合2.2.2半導體 激光器的工作特性半導體激光器的工作特性中，當注

12、入p-n結的電流較低時，只有自發(fā)輻射產生，隨電流值的增大增益 也增大，達閾值電流時，p-n結產生激光。影響閾值的幾個因素有：晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。異質結閾值電流比同質結低得多。溫度愈高， 閾值越高。由于半導體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結的垂直平面內，發(fā)散角最大，可達20 -30； 在結的水平面內約為10。左右。2半導體激光器的應用2.1半導體激光器在激光光譜學中的應用激光光譜具有廣泛的應用范圍，如從分子光譜、等離子物理、高階諧波產生的科學應用到大氣污染的 監(jiān)測及癌癥的診斷等。半導體激光器在激光光譜學中有較多優(yōu)勢，用于激光光譜學的半導體

13、激光器有一個 重要的特點就是可協(xié)調性。其波長可通過改變溫度或改變驅動電流來調諧。另外高靈敏度，高選擇性可以 減少譜線重疊，增加選擇性。半導體激光器還可用調制技術夠減少激光的過量噪聲。例如下圖即為 “SPECDILASV763OXYVCSEL所探測的02吸收光譜(半導體激光器的工作溫度Top=10C,Iset=4.6mA,加 32Hz,10.6mV的鋸齒波,256次平均)。VCSEL激光器的波長范圍為1.32m,可調諧波長范圍為3nm,主要用于光纖通信技術氣體監(jiān)測。由于 VCSEL激光器和DFB激光器能夠實現單縱模特性，因此它們常應用在激光光譜學中尤其是氣體的測量中。 2.2大功率半導體激光器的

14、軍事應用隨著激光技術的日趨成熟和應用領域的不斷拓展。由于半導體激光器具有結構簡單、體積小、壽命較 長易于調制及價格低廉等優(yōu)點使得半導體激光器在在軍事中得到廣泛應用，如激光制導跟蹤便是從制導站 的激光發(fā)射系統(tǒng)按一定規(guī)律向空間發(fā)射經編碼調制的激光束，且光束中心線對準目標；在波束中飛行的導 彈，當其位置偏離波束中心時，裝在導彈尾部的激光接收器探到激光信號，經信息處理后，彈上解算裝置計 算出彈體偏離中心線的大小和方向，形成控制信號;再通過自動駕駛儀操縱導彈相應的機構,使其沿著波束 中心飛行，直至摧毀目標為止。半導體激光引信是一種光學引信屬主動式近炸引信的技術范疇。激光引信 通過激光對目標進行探測，對激

15、光回波信息進行處理和計算，判斷出目標，計算出炸點，在最佳位置適時引 爆。炸彈一旦未捕獲或丟失目標以及引信失靈后，自炸機構可以引爆彈丸自毀。半導體激光引信是激光探 測技術在武器系統(tǒng)中最成功的應用。測距儀采用半導體激光器作光源具有隱蔽性略加改進，還可測量車輛 之間的距離并進行數字顯示,在低于所需安全系數時發(fā)出警報。激光模擬主要是以半導體激光為基礎發(fā)展 起來的新型軍訓和演習技術。通過調節(jié)激光射束、周期和范圍以達到模擬任何武器特征的目的。武器模擬 主要使用904nm半導體激光器，用對眼睛安全的激光器作為戰(zhàn)術訓練系統(tǒng)的基礎，最初稱為激光交戰(zhàn)統(tǒng) (LES)。目前，全世界有美、英、瑞(典)三國出售MILES

16、II/SAWE系統(tǒng);北約國家、以色列、阿根廷、俄羅斯、 中國都在開發(fā)這種系統(tǒng)。另外軍用光纖陀螺是軍用光纖領域中用途最廣，是目標監(jiān)測和測量方面不可缺少 的技術手段。由光纖繞成環(huán)形光路，采用Sagnac干涉原理，檢測出隨轉動產生的兩路激光束的相位差，由此 得出轉動的角速度。其主要優(yōu)點是:無運動部件，儀器牢固，耐沖擊,抗加速運動;機構簡單，價格低廉;啟動 時間極短(原理上可瞬時啟動)；靈敏度高可達10-7rad/s;動態(tài)范圍極寬(約為2000度/秒)；壽命長等。在軍 用民用光纖通信、光纖制導導彈、制導魚類等方面廣泛應用。2.3半導體激光器在數字通信中的應用我們稱現代社會為信息社會，半導體激光器在信息

17、的獲取，傳輸，存儲和處理以及顯示中已得到廣泛 應用。在數字通信市場，波長為950 1550nm的半導體激光器應用廣闊。由于受發(fā)達國家的音頻和數字通信 發(fā)展以及東南亞、拉丁美洲等發(fā)展中國家新興工業(yè)區(qū)加速發(fā)展通信基礎設施的影響光纖通信獲得了發(fā)展。 該領域應用的半導體激光器銷售額一直高居首位。生產廠家?guī)缀跫杏谌毡?、北美，在歐洲也有生產。在 今后幾年中，日本、北美和德國等將發(fā)展直接至用戶的光纖網絡,這會使半導體激光器的需求量更大，對此 類激光器要求價格十分低廉、傳輸速率中等、可在-40一+80 r環(huán)境中工作。鑒于通信事業(yè)發(fā)展方興未艾， 這類應用的激光器市場將繼續(xù)有較大的增長。由于光纖通信具有損耗低、容量大、速率高、抗干擾、保密 性強、重量輕、體積小等優(yōu)點,加之信息爆炸、多媒體通信及全球網絡的發(fā)展光纖迅速成為信息社會的寵 兒。光半導體激光器作為光纖通信系統(tǒng)中的光源是關鍵元件是整個系統(tǒng)的核心部分,短距離的光纖通信用 單模光纖和130 150nm波長的半導體激光器，空間通信用列陣半導體激光器。所以全球光纖通信市場前景 廣闊，多信道密集波分復用技術(DWDM)對經濟地擴展網絡容量有無可取代的作用