半導(dǎo)體激光器

主要內(nèi)容半導(dǎo)體激光器制作的理論基礎(chǔ)機(jī)械結(jié)構(gòu)電流源與溫控背景介紹一、激光的發(fā)展簡(jiǎn)史

1916年，愛因斯坦提出了“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。

1958年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的湯斯和肖洛發(fā)表了關(guān)于激光器的經(jīng)典論文，奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ)。

這兩次發(fā)明開創(chuàng)了傳統(tǒng)的固體激器和氣體激光器的時(shí)代，自此，激光走上了高速發(fā)展的道路。此后，半導(dǎo)體激光器、染料激光器、自由電子激光器都在相應(yīng)學(xué)科的支持下出現(xiàn)。特別是八十年代，隨著光電子學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光纖激光器和孤子激光器相繼出現(xiàn)，將激光引入以光電子和微電子為主的信息時(shí)代。

1962年，He－Ne氣體激光器在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功。

1960年，美國(guó)人梅曼(T.H.Maiman)發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。

Maiman能帶理論:晶體中原子能級(jí)分裂晶體中的電子作共有化運(yùn)動(dòng)，所以電子不再屬于某一個(gè)原子，而是屬于整個(gè)晶體共有。晶體中原子間相互作用，導(dǎo)致能級(jí)分裂，由于原子數(shù)目巨大，所以分裂的能級(jí)非常密集，認(rèn)為是準(zhǔn)連續(xù)的，即形成能帶。電子總是先填充低能級(jí)，0K時(shí)，價(jià)帶中填滿了電子，而導(dǎo)帶中沒有電子。能帶與能帶之間不容許電子存在，稱為禁帶；由價(jià)電子能級(jí)（基態(tài)能級(jí)）分裂的能帶稱為價(jià)帶；由激發(fā)態(tài)能級(jí)分裂得到的能帶稱為導(dǎo)帶。光子的特點(diǎn)：非相干光(a)自發(fā)輻射初態(tài)E2E1hυ=E2-E1終態(tài)E2E1(1)自發(fā)輻射在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射和受激輻射自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。光子的特點(diǎn)：相干光(b)受激輻射終態(tài)E2E1hυ初態(tài)E2E1(2)受激輻射在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。受激輻射和自發(fā)輻射區(qū)別在于是否有外來(lái)光子的參與，且產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不相同。

產(chǎn)生激光的必要條件一：受激輻射占主導(dǎo)地位(c)受激吸收hυ初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1終態(tài)E2E1hυ初態(tài)E2E1(b)受激輻射受激輻射是受激吸收的逆過(guò)程。電子在E1和E2兩個(gè)能級(jí)之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即E2-E1=hυ式中，h=6.628×10-34J·s，為普朗克常數(shù)，υ為吸收或輻射的光子頻率。在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴。(3)受激吸收粒子數(shù)反轉(zhuǎn)受激輻射自發(fā)輻射激光激發(fā)放大粒子數(shù)能量三能級(jí)量子放大原理（甲)激發(fā)放大粒子數(shù)能量三能級(jí)量子放大原理（乙)如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?問題：分布反轉(zhuǎn)導(dǎo)帶價(jià)帶（a）平衡態(tài)導(dǎo)帶價(jià)帶（b）分布反轉(zhuǎn)狀態(tài)密度與能量的關(guān)系T=0K下直接帶隙半導(dǎo)體中能量，密度n（E）與能量E的關(guān)系。價(jià)帶電子導(dǎo)帶底引起導(dǎo)帶電子向價(jià)帶躍遷非平衡載流子空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)產(chǎn)生受激輻射受激輻射占主導(dǎo)地位，得到光量子放大。P-n結(jié)激光器原理P-n結(jié)激光器，也稱激光二極管。P區(qū)及N區(qū)必須重參雜，一般達(dá)平衡時(shí)，費(fèi)米能級(jí)位于P區(qū)的價(jià)帶及N區(qū)的導(dǎo)帶（1）注入機(jī)構(gòu)結(jié)區(qū)厚為幾十微米，面積約小1mm^2，是激光器的核心部分，稱為“激活區(qū)”。hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場(chǎng)外加電場(chǎng)正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件：加正向偏壓V時(shí)，P-N結(jié)勢(shì)壘降低，N區(qū)向P區(qū)注入電子，P區(qū)向N區(qū)注入空穴，P-N結(jié)處于非平衡狀態(tài)。（2）激光的產(chǎn)生①共振腔（m=整數(shù)）半導(dǎo)體激光器的光學(xué)諧振腔：利用與P-N結(jié)平面相垂直的自然解理面構(gòu)成，它有35%的反射率。鍍二氧化硅和銀，可達(dá)95％以上。只允許半波長(zhǎng)整數(shù)倍正好等于共振腔長(zhǎng)度的駐波存在：滿足此式的一系列特定波長(zhǎng)的受激輻射在共振腔內(nèi)形成振蕩，不符合條件的波逐漸損耗。影響閾值的幾個(gè)因素：（1）摻雜濃度越大，閾值越小。（2）諧振腔損耗越小（增大反射率）閾值就低。（3）溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的三次方增加，最好在低溫和室溫下工作。閾值電流：當(dāng)注入P-N結(jié)的電流較低時(shí)，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生;達(dá)閾值電流時(shí)，P-N結(jié)產(chǎn)生激光。②增益和閾值電流密度增益等于全部損耗，閾值增益為：在注入電流的作用下，激活區(qū)內(nèi)受激輻射不斷增強(qiáng)，稱為增益；輻射在共振腔內(nèi)來(lái)回反射時(shí)，有能量損耗，主要包括：載流子吸收、缺陷散射、端面透射損耗等。③激光的光譜分布A、低于閾值電流時(shí)，輻射主要是自發(fā)輻射，譜線相當(dāng)寬；B、隨著電流增大，受激輻射逐漸增強(qiáng)，譜線變窄，當(dāng)接近閾值電流時(shí)出現(xiàn)一系列峰值；C、電流等于或大于閾值電流時(shí)，發(fā)生共振，對(duì)應(yīng)一特定的波長(zhǎng)λ，出現(xiàn)譜線很窄、輻射強(qiáng)度驟增的譜線。激光光譜分布曲線激光發(fā)射必須滿足三個(gè)基本條件：1、形成分布反轉(zhuǎn)，使受激輻射占優(yōu)勢(shì)；2、具有共振腔，以實(shí)現(xiàn)光量子放大；3、至少達(dá)到閾值電流密度，使增益至少等于損耗。增益介質(zhì):實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激勵(lì)源：使原子被激發(fā)

諧振腔：光放大作用同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管，或簡(jiǎn)稱激光二極管，英文縮寫為L(zhǎng)D

(LaserDiode)，是實(shí)用中最重要的一類激光器。優(yōu)點(diǎn)：體積小、效率高、壽命長(zhǎng)，可采用簡(jiǎn)單的電流注入方式來(lái)泵浦；其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而有可能與之單片集成；并且還可用高達(dá)GHZ的頻率直接進(jìn)行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出，可實(shí)行溫度調(diào)諧和電流調(diào)諧。

半導(dǎo)體激光器材料：N型:摻入五價(jià)元素如P，P型:摻入三價(jià)元素如B半導(dǎo)體激光器電流特性半導(dǎo)體激光器是依靠載流子直接注入而工作的，注入電流的穩(wěn)定性對(duì)激光器的輸出有直接的、明顯的影響。因此，要求半導(dǎo)體激光器的電源是一個(gè)恒流源，應(yīng)該具有很高的電流穩(wěn)定度和很小的波紋系數(shù)，否則激光器的工作狀態(tài)就會(huì)受到影響。電流放大器電流電壓轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓采樣負(fù)載反饋激光器恒流源電路設(shè)計(jì)圖溫度升高時(shí)，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不再受激輻射了。當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料的特征溫度。半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度十分敏感，其輸出功率隨溫度會(huì)發(fā)生很大變化，其主要原因?yàn)椋簻囟忍匦裕?）激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大。（2）外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。溫度的升高使激光器的閾值電流增加，發(fā)射波長(zhǎng)紅移，造成模式的不穩(wěn)定、增加內(nèi)部缺陷、嚴(yán)重的影響器件的壽命，給應(yīng)用帶來(lái)很大困難。如不將產(chǎn)生的熱量移去，將造成一種惡性循環(huán)，使激光器很快失效。器件壽命減小一半激光器溫控電路設(shè)計(jì)圖半導(dǎo)體激光器溫度傳感器高精度放大電路PID控制制冷器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)光柵反饋半導(dǎo)體激光器1、激光器輸出波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變光柵的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，激