半导体激光器的原理及其应用.ppt

(二) 激光器的损耗 1、内部损耗 增益介质内部由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷而使光产生折射、散射等使部分光波偏离原来的传播方向，造成光能量的损耗。 ——内部损耗系数（单位长度的损耗） 2、镜面损耗 当强度为I 的光波射到镜面上，其中r1I(或r2I)反射回腔内继续放大，其它的部分均为损耗，包括t1I(或t2I)、镜面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的损耗，用a1I(或a2I)表示。 r1、 r2——反射镜M1 M2 的反射率， t1 t2——M1 M2 的透射率 ※ 1.4 激光器的阀值条件 阈值是所有激光器的属性，它标志着激光器的增益与损耗的平衡点，即阈值以后激光器才开始净增益。 ★ 获得激光所要求的双程放大倍数为： 即 则形成激光所要求的增益系数的条件为： 令 § 2. 半导体 半导体，指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体(P型半导体和N型半导体)。 将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。其电场的方向由N指向P，称为内电场。 P-N结内电场方向 ※ 2.1半导体器件的发光机理 当如果在PN结上加正向电压，外电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电荷区变窄，形成较大的扩散电流。如右图所示 当外加电场与内电场方向相反时，电子被迫从N区向P区方向集结，当足够数量的电子能级上升到导带能级，它们的电子能级就超过了势垒能级，电子流过P-N结进入P 区。 此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在，这种状态称为粒子数反转。 来自导带的电子失去它的一些能量并下降到价带时，它们和空穴复合并产生出光子。这种过程称为复合。 在理想情况下，能量完全以光子的形式释放出来。如果这一过程自发地发生，则该发出的光子能量近似地等于带隙的能量Eg，所产生的光子在随机的方向上进行。另一方面，若在复合区有足够密度的光子存在，则自发发射(或复合)及受激复合两者都会发生， 所产生的受激光子的行进方向和原始光子相同。 ※ 2.1半导体器件的发光机理 直接复合中一个光子产生一个电子和一个空穴，它们碰撞后又放出一个光子；间接复合中载流子被trap T捕捉到，在trap site中发生复合，并放出热。 § 3. 半导体激光器 P型 N型 电流 金属接触 有源层 解理面 半导体激光器 是用半导体材料作为工作物质的激光器，是一种在电流注入下能够发出相干辐射光（相位相同、波长基本相同、强度较大）的光电子器件。 半导体激光器的结构简图 工作三要素： 受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。 自发光辐射（发光二极管） 当给器件加正向偏压时，n区向p区注入电子，p区向n区注入空穴，在激活区电子和空穴自发地复合形成电子-空穴对，将多余的能量以光子的形式释放出来，所发射的光子相位和方向各不相同，这种辐射叫做自发辐射。 受激光辐射（半导体激光器） 在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫做受激光辐射。 ※ 3.1半导体激光器和发光二极管的区别 以GaAs半导体激光器为例来说明其基本结构及其发光图示 ※ 3.2半导体激光器的基本结构 图 GaAs激光器的结构简图 ※ 3.3半导体激光器的工作物质 由于半导体材料的折射率一般较大，因此反射系数较大，所以两个与p-n结平面垂直的解理面即构成相互严格平行的谐振腔。 图 激光束的空间分布示意图 垂直于结面的两个平行的晶体解理面形成法布里-珀罗谐振腔 ，两个解理面是谐振腔的反射镜面。在两个端面上分别镀上高反膜和增透膜,可以提高激射效率。 半导体激光器和普通的发光二极管基本上相同的，两者的主要差别就是前者有解理面形成的谐振腔。 ※ 3.4半导体激光器工作的阀值条件 激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件 增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质 在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡 。 ◆ 要实现电子数的反转，输入电流要很高。当电流较小时，此时只发出普通光，当电流增大到某一值时，开始发射出激光，此电流即是阀值电流。 ※