Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔半導體激光器課件

Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔

半導體激光器

—宋紅芳

Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔

半導體激光器

1一、半導體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理二、激光二極管產(chǎn)生激光的特點三、外腔結(jié)構(gòu)四、機械設(shè)計五、電流控制—恒流源六、溫度控制一、半導體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理二、激光二極管產(chǎn)生激光2一、半導體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理1、組成增益介質(zhì)：半導體材料，主要有GaAs、InP、CdS、ZnS等泵浦源：電注入、電子束激勵和光泵浦三種主要激勵方式諧振腔：半導體晶體中垂直于PN結(jié)平面的兩個解理面（也可以是經(jīng)過拋光的平面）作為反射鏡構(gòu)成諧振腔一、半導體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理1、組成32、激光產(chǎn)生條件實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件（1）、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：通過一定的激勵方式，使半導體物質(zhì)的導帶底層電子數(shù)遠大于價帶頂層電子數(shù)。在電注入方式下：選用重摻雜的P型與N型材料，給PN結(jié)加一個足夠大的正向偏壓。2、激光產(chǎn)生條件實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件（1）4（2）、閾值條件：（增益大于損耗）A、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，增益系數(shù)越大——摻雜程度足夠大，激勵電流足夠大B、損耗來源于多方面，一般是腔長越長損耗越大。對于給定的半導體激光管，要滿足閾值條件就是要有足夠大的激勵電流——閾值電流（2）、閾值條件：（增益大于損耗）A、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，增5（3）、諧振條件：IAB激光PNL圖1激光二極管內(nèi)激光的產(chǎn)生（3）、諧振條件：IAB激光PNL圖1激光二極管內(nèi)6二、激光二極管的特點1、優(yōu)點：體積小、重量輕、運轉(zhuǎn)可靠、耗電少、壽命長、效率高等2、缺點：激光性能受溫度影響大、光束發(fā)散角大（幾到二十度范圍）、激光的方向性、單色性和相干性比較差外腔結(jié)構(gòu)二、激光二極管的特點1、優(yōu)點：體積小、重量輕、運轉(zhuǎn)可靠、耗電7三、外腔結(jié)構(gòu)1、由激光二極管、準直透鏡和閃耀光柵組成入射光一級光原路返回零級光出射d圖2外腔結(jié)構(gòu)示意圖三、外腔結(jié)構(gòu)1、由激光二極管、準直透鏡和閃耀光柵組成入射光一82、需滿足方程：……①一級閃耀……②諧振條件（1）從激光二極管中出射的光波長范圍很大，但是波長滿足①式的光會發(fā)生一級閃耀，原路返回。（2）腔長滿足②式，則返回的光與激光管內(nèi)發(fā)出的光諧振。2、需滿足方程：……①一級閃耀……②諧振條件9（3）對于零級光，光程差：即：也就是說，在零級這個方向上任意波長的光都可以出射——各波長的零級譜線是重合的。然而由于只有發(fā)生一級閃耀的光被諧振放大，所以從零級方向出射的光，該波長的占主導，為激光。閃耀光柵相當于一個半透半反鏡，一級“反”，零級“透”。（3）對于零級光，光程差：即：也就是說，在零級這個方向10四、機械結(jié)構(gòu)四、機械結(jié)構(gòu)11Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔半導體激光器課件12Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔半導體激光器課件13五、電流控制—恒流源由于半導體激光器具有二極管的特性，對于驅(qū)動電源來說是一個非線性負載。而發(fā)光功率隨著驅(qū)動電流的增大而增大。為了保證電源供電的安全、可靠、穩(wěn)定以及低電壓大電流，需要一個恒定電流源。五、電流控制—恒流源由于半導體激光器具有二極管的特性14恒定電流源的電路原理圖恒定電流源的電路原理圖15六、溫度控制

1、溫度對半導體激光器穩(wěn)定度的影響（1）閾值電流隨溫度升高而明顯增大；（2）溫度上升造成激光峰值波長向長波方向漂移；（3）激光管壽命隨溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律下降；（4）溫度變化引起外腔光程長度的改變，導致激光器工作模式的不穩(wěn)定。六、溫度控制1、溫度對半導體激光器穩(wěn)定度的影響162、PID溫度控制電路（1）原理：探測器電信號與預先設(shè)置的電信號做比較差值信號信號處理驅(qū)動制冷器溫度信號2、PID溫度控制電路（1）原理：探測器電信號與預先設(shè)置的電17（2）關(guān)鍵元器件A、負溫度系數(shù)熱敏電阻：電阻值隨溫度的增大而減小。（2）關(guān)鍵元器件A、負溫度系數(shù)熱敏電阻：電阻值隨溫度的增大而18B、半導體制冷器B、半導體制冷器19Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔半導體激光器課件20（3）PID溫控電路圖（3）PID溫控電路圖21PID電路的功能：P+I使系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差；P+D改善系統(tǒng)的動態(tài)特性；使得電路系統(tǒng)能夠準確快速地測得周圍的溫度并給出調(diào)控。PID電路的功能：使得電路系統(tǒng)能夠準確快速地測得周圍的溫度并22謝謝！謝謝！23Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔

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—宋紅芳

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24一、半導體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理二、激光二極管產(chǎn)生激光的特點三、外腔結(jié)構(gòu)四、機械設(shè)計五、電流控制—恒流源六、溫度控制一、半導體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理二、激光二極管產(chǎn)生激光25一、半導體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理1、組成增益介質(zhì)：半導體材料，主要有GaAs、InP、CdS、ZnS等泵浦源：電注入、電子束激勵和光泵浦三種主要激勵方式諧振腔：半導體晶體中垂直于PN結(jié)平面的兩個解理面（也可以是經(jīng)過拋光的平面）作為反射鏡構(gòu)成諧振腔一、半導體激光器的組成及其激光產(chǎn)生原理1、組成262、激光產(chǎn)生條件實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件（1）、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：通過一定的激勵方式，使半導體物質(zhì)的導帶底層電子數(shù)遠大于價帶頂層電子數(shù)。在電注入方式下：選用重摻雜的P型與N型材料，給PN結(jié)加一個足夠大的正向偏壓。2、激光產(chǎn)生條件實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件（1）27（2）、閾值條件：（增益大于損耗）A、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，增益系數(shù)越大——摻雜程度足夠大，激勵電流足夠大B、損耗來源于多方面，一般是腔長越長損耗越大。對于給定的半導體激光管，要滿足閾值條件就是要有足夠大的激勵電流——閾值電流（2）、閾值條件：（增益大于損耗）A、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，增28（3）、諧振條件：IAB激光PNL圖1激光二極管內(nèi)激光的產(chǎn)生（3）、諧振條件：IAB激光PNL圖1激光二極管內(nèi)29二、激光二極管的特點1、優(yōu)點：體積小、重量輕、運轉(zhuǎn)可靠、耗電少、壽命長、效率高等2、缺點：激光性能受溫度影響大、光束發(fā)散角大（幾到二十度范圍）、激光的方向性、單色性和相干性比較差外腔結(jié)構(gòu)二、激光二極管的特點1、優(yōu)點：體積小、重量輕、運轉(zhuǎn)可靠、耗電30三、外腔結(jié)構(gòu)1、由激光二極管、準直透鏡和閃耀光柵組成入射光一級光原路返回零級光出射d圖2外腔結(jié)構(gòu)示意圖三、外腔結(jié)構(gòu)1、由激光二極管、準直透鏡和閃耀光柵組成入射光一312、需滿足方程：……①一級閃耀……②諧振條件（1）從激光二極管中出射的光波長范圍很大，但是波長滿足①式的光會發(fā)生一級閃耀，原路返回。（2）腔長滿足②式，則返回的光與激光管內(nèi)發(fā)出的光諧振。2、需滿足方程：……①一級閃耀……②諧振條件32（3）對于零級光，光程差：即：也就是說，在零級這個方向上任意波長的光都可以出射——各波長的零級譜線是重合的。然而由于只有發(fā)生一級閃耀的光被諧振放大，所以從零級方向出射的光，該波長的占主導，為激光。閃耀光柵相當于一個半透半反鏡，一級“反”，零級“透”。（3）對于零級光，光程差：即：也就是說，在零級這個方向33四、機械結(jié)構(gòu)四、機械結(jié)構(gòu)34Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔半導體激光器課件35Littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔半導體激光器課件36五、電流控制—恒流源由于半導體激光器具有二極管的特性，對于驅(qū)動電源來說是一個非線性負載。而發(fā)光功率隨著驅(qū)動電流的增大而增大。為了保證電源供電的安全、可靠、穩(wěn)定以及低電壓大電流，需要一個恒定電流源。五、電流控制—恒流源由于半導體激光器具有二極管的特性37恒定電流源的電路原理圖恒定電流源的電路原理圖38六、溫度控制

1、溫度對半導體激光器穩(wěn)定度的影響（1）閾值電流隨溫度升高而明顯增大；（2）溫度上升造成激光峰值波長向長波方向漂移；（3）激光管壽命隨溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律下降；（4）溫度變化引起外腔光程長度的改變，導致激光器工作模式的不穩(wěn)定。六、溫度控制1、溫度對半導體激光器穩(wěn)定度的影響392、PID溫度控制電路（1）原理：探測器電信號與預先設(shè)置的電信號做比較差值信號信號處理驅(qū)動制冷器溫度信號2、PID溫度控制電路（1）原理：探測器電信號與預先設(shè)置的電40（2）關(guān)鍵元器件A、負溫度系數(shù)熱敏電阻：電阻值隨溫度的增大而減小。（2）關(guān)鍵元器件A、負溫度系數(shù)熱敏電