半導體激光器的設計

半導體激光器設計半導體激光器產(chǎn)生激光的機理,即必須建立特定激光能態(tài)間的粒半導體激光器產(chǎn)生激光的機理,即必須建立特定激光能態(tài)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并有光學諧振腔。由于半導體材料物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性和另一方面所產(chǎn)生的激光光束也有獨特的優(yōu)勢,使其在社會各方面廣泛明顯,光譜范圍寬,相干性增強,使半導體激光器開啟了激光應用發(fā)展的新紀元。半導體激光器的工作原理激光產(chǎn)生原理半導體激光器是一種相干輻射光源,要使它能產(chǎn)生激光,必須具半導體激光器是一種相干輻射光源,要使它能產(chǎn)生激光,必須具備三個基本條件:(1)增益條件:建立起激射媒質(zhì)(有源區(qū))內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布,在半導體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級所組成的能帶數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復合時,便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。(2)要實際獲得相干受激輻射,必須使受激輻射在光學諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩,激光器的諧振腔是由半導體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的,通常在不出光的那一端鍍上高反多層介然解理面作為反射鏡形成的,通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜,而出光面鍍上減反膜.對F—p腔(法布里一珀羅腔)半導體激光器可以很方便地利用晶體的與P—n結(jié)平面相垂直的自然解理面一[110]面構(gòu)成F—P腔。(3)為了形成穩(wěn)定振蕩,激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益,以彌補諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗,不斷增加電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發(fā)射和光放大過程。1.2雙異質(zhì)結(jié)基本結(jié)構(gòu)將有源層夾在同時具有寬帶隙和低折射率的兩種半導體材料之間，以便在垂直于結(jié)平面的方向（橫向）上有效地限制載流子和光1970GaAlAs／GaAs0.89的在室溫下能連續(xù)工作。圖表示出雙異質(zhì)結(jié)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖和相應的能帶圖在正向偏壓下電子和空穴分別從寬帶隙的N區(qū)和P的擴散又分別受到P－pN－p半導體激光器的工作特性閾值電流當注入p-n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。30000A/cm2；單異質(zhì)結(jié)約為8000A/cm21600A/cm2?，F(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導體激光器。100KT因此，半導體激光器最好在低溫和室溫下工作。方向性20°-30°；10°左右。量子效率η＝每秒發(fā)射的光子數(shù)／每秒到達結(jié)區(qū)的電子空穴對數(shù)77K時，GaAs70％－80％；300K30％左右。功率效率η1＝輻射的光功率／加在激光器上的電功率。由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結(jié)器件，室溫時的η110％，30％－40％。光譜特性由于半導體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復合輻射發(fā)生在能帶（帶與價帶）840nm；300K902nmI Ith

T0

溫度特性Ith—溫度為TI0—一個常數(shù)T—結(jié)區(qū)的絕對溫度T0—LD的特征溫度，與器件的材料、結(jié)構(gòu)等有關。對于GaAs/GaALAs-LDT0=100~150K；InGaAsP/InP-LDT0=40~70K半導體激光器的調(diào)制特性半導體激光器的注入電流半導體激光器是指以半導體材料為工作物質(zhì)的一類激光器,亦稱半導體激光二級管。利用半導體激光器作干涉測量的光源,就是利用其在低頻調(diào)制時注入電流與輸出光頻的線性關系。但不同的半導體激光器的這個線性關系又略有不同,因此,利用半導體激光器作為干涉測量系統(tǒng)的光源,就必須清楚地了解所用半導體激光器的注入電流的調(diào)制特性。當半導體激光器的注入電流發(fā)生改變時,其輸出特性隨之變化:(1)當注入電流大于半導體激光器的閾值后,輸出光為激光。且隨著電流值的增加,會有模跳變現(xiàn)象發(fā)生。任意兩個相鄰跳模間的線性區(qū)域不同,調(diào)制系數(shù)不同;(2)根據(jù)注入調(diào)制電流頻率的大小,可將半導體激光器的輸出光頻特性分為線性區(qū)和非線性區(qū)。干涉測量系統(tǒng)的測量精度在一定程度上取決于注入電流與輸出光頻的線性關系及線性區(qū)的大小。理想的線性關系,較大的線性區(qū)是所期望的。但半導體激光器的線性區(qū)大多都比較小,在閥值以上有多個跳模存在。因此,恰當?shù)剡x擇線性段,避免跳模的影響是關鍵;(注入電流增加,輸出光功率增大,譜線寬度變窄,相干長度上升[1]。注入電流的增加是有一定限制的,最高工作電流不應超過閥值電流的四倍否則器件會迅速老化。2 實驗為了研究半體激光器輸出光頻與注入電流的關系,人們作了許多工作。使用的儀器大多為光柵單色儀和法卜理———帕羅干涉儀[2]半導體激光器實用組件激光器組件是指在一個緊密結(jié)構(gòu)中（如管殼中），除激光二極管（LD）芯片外，還配置其他元件和和實現(xiàn)LD工作必要的少量電路塊的集成器件。主要包括：光隔離器：其作用是防止LD輸。位于LD監(jiān)視光電二極管（PD）：其作用是監(jiān)視LD常用于自動功率控制。位于LD尾纖和連接器；LD（包括電源和LD）；熱敏電阻：其作用是測量組件內(nèi)的溫度；熱電制冷器（TEC）：電流的極性達到加熱和冷卻目的；其他準直激光器輸出場的透鏡、光纖耦合器及固定光纖的支架等。設計心得經(jīng)過這次設計，我懂得了不管學會的還是學不會的的確覺得困經(jīng)過這次設計，我懂得了不管學會的還是學不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應用才能實現(xiàn)其價值!有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。在此要感謝我的指導老師武錦輝老師對我悉心的指導，感謝老師給我的幫助。在設計過程中，我通過查閱大量有關資料，與同學交流經(jīng)驗和自學，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，