第2章第2節(jié)半導(dǎo)體激光器

光電信息技術(shù)張榮福（1）受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv（2）自發(fā)輻射（3）受激輻射三種躍遷§2.2激光器

設(shè)在單位物質(zhì)內(nèi)，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2的原子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，原子分布遵循玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布

式中，，為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度?！?.2激光器w32w2

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13w1圖：三能級(jí)系統(tǒng)示意圖

一、激光的形成1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)通過外加能量打破封閉系統(tǒng)的熱平衡，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?！?.2激光器 2.光學(xué)諧振腔注入電流有源區(qū)解理面解理面L增益介質(zhì)R1R2z=0z=L3.工作條件振幅條件相位條件§2.2激光器二、激光腔模式及其頻率激光腔模式是指激光腔內(nèi)穩(wěn)定激光場(chǎng)的分布形式，其中沿腔縱軸方向的穩(wěn)定分布稱為縱模。有2個(gè)以上縱模激振的激光器，稱為多縱模激光器。通過在光腔中加入色散元件或采用外腔反饋等方法，可以使激光器只有一個(gè)模式激振，這樣的激光器稱為單縱模激光器?？v模頻率是指在自發(fā)輻射譜內(nèi)滿足諧振條件，且損耗小于增益的頻率?！?.2激光器諧振頻率諧振條件即：腔內(nèi)允許間隔為c/2nl的m倍的不同頻率的光場(chǎng)在其中振蕩c/2nL(a)縱模分布

增益曲線損耗I(b)工作模式§2.2激光器例：某一激光器腔長(zhǎng)L=300mm,工作物質(zhì)折射率為n=1,求：（1）滿足相位條件的最低諧振頻率（2）若此激光器自發(fā)輻射峰值波長(zhǎng)為632.8nm，且輻射光譜帶寬為1.5×109Hz，那么該激光器有多少個(gè)縱模頻率（假設(shè)損耗很?。?？三、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構(gòu)成，如圖2.2.2-1所示。圖2.2.2-1大面積半導(dǎo)體激光器解理面金屬接觸電流有源層P型N型300μm100μm200μm解決光限制問題的一種簡(jiǎn)單方案是將注入電流限制在一個(gè)窄條里，這樣的激光器稱為條形半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)如圖2.2.2-2所示。將一絕緣層介質(zhì)(SiO2)淀積在P層上，中間敞開以注入電流。由于光限制是借助中間條形區(qū)的增益來實(shí)現(xiàn)的，這樣的激光器稱為增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器。圖2.2.2-2增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器P-InPInGaAsPN-InPN+-InP襯底P-InGaAsP絕緣介質(zhì)折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器。圖2.2.2-3折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器P-InPInGaAsP有源層N-InPN+-InP襯底接點(diǎn)SiO2SiO2四、半導(dǎo)體激光器特性光譜特性圖2.2.3-1為GaAIAs雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性832830828826824832830828826824832830828826824驅(qū)動(dòng)電流增大→→圖2.2.3-1GaAIAs雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性示意圖圖2.2.3-2為典型LD的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性

圖2.2.3-2為典型LD的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，圖中與分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面方向的輻射角，整個(gè)光束的橫截面呈橢圓形。1.00.80.60.40.20發(fā)射光功率P/mW

804004080

輻射角θ(度)相對(duì)光強(qiáng)

激光束的空間分布

激光器的電—光轉(zhuǎn)換效率用外量子效率543210

050100I/mA發(fā)射光功率

圖2.2.3-3典型LD的光功率特性曲線

輸出光功率轉(zhuǎn)換效率與輸出光功率特性

溫度特性

圖2.2.3-4LD的P-I曲線隨溫度的變化543210050100I/mA

發(fā)射光功率22℃

50℃

70℃

特點(diǎn)：激光器的閾值電流隨溫度升高而增大外量子效率隨溫度升高而減小。

五、激光器的應(yīng)用

舞臺(tái)燈激光筆激光武器激光武器激光武器激光武器－光劍激光武器－光劍脈沖激光測(cè)距利用了激光的方向性強(qiáng)、能量時(shí)空相對(duì)集中的優(yōu)點(diǎn)。脈沖激光測(cè)距在有反射器的情況下(見下圖，在2處裝有反射器)，可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程。在1處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過待測(cè)的路程射向2處。在2處裝有向1處反射的裝置，1處至2處間的距離D是待測(cè)的。如果在1處有一種裝置，它能夠測(cè)出脈沖激光從1處到達(dá)2處再返回1處所需要的時(shí)間t，則

D=ct/2

式中c為光的傳播速度。

應(yīng)用舉例－－脈沖激光測(cè)距圖：脈沖激光測(cè)距原理圖它由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器以及計(jì)數(shù)顯示電路等組成圖:脈沖激光測(cè)距的方框圖

由光電器件5得到的電脈沖，經(jīng)放大器7以后，輸出一定形狀的負(fù)脈沖至控制電路8。由參考信號(hào)產(chǎn)生的負(fù)脈沖A(圖(d))經(jīng)控制電路8去打開電子門12。這時(shí)振蕩頻率一定的時(shí)鐘振蕩器11產(chǎn)生