第三章典型激光器报告.ppt

半导体激光器的基本结构和工作原理 图3-24 GaAs激光器的结构 半导体激光器的工作原理和阈值条件 图3-24b示出台面形管芯激光器的外形结构，管芯的形状有长方形，台面形,电极条形等多种，图3-24a 的管芯形状是长方形， P-N 结的厚度仅几十微米，一般是在N型GaAs衬底上生长一薄层P型 GaAs 而形成P-N 结。 3.4 半导体激光器 半导体激光器工作的阈值条件 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 半导体激光器的工作原理和阈值条件 3.4 半导体激光器 工作物质实现了粒子数反转后，光在谐振腔内传播时便有增益，但能否有效地形成激光振荡，还与腔内损耗有关。只有在增益恰等于损耗时才能满足振荡的阈值要求。 这说明半导体激光器的增益不仅要大于零，还必须达到某一数值才能形成激光。 t复合-结区电子寿命 t复合=1/A21 △n-粒子数反转值 半导体激光器的阈值电流 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 半导体激光器的工作原理和阈值条件 3.4 半导体激光器 当正向电流密度J达到阈值J阈后形成激光。 数值例： GaAs P-N 结激光器 半导体激光器的工作原理和阈值条件 3.4 半导体激光器 同质结和异质结半导体激光器 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性，如图(3-25)所示。 阈值电流密度: 影响阈值的因素很多 3.4 半导体激光器 显然，降低J阈的值是提高半导体水平的关键，经研究发现J阈与以下因素有关： （1）与激光器的具体结构及制备工艺有密切关系，不同器件a总值差异很大； （2）J阈∝1/L，即阈值电流密度与腔长L成反比； （3） J阈与工作温度的关系十分密切； （4） J阈与反射率r1r2有关，通常两个反射面都是天然解理面， 故 r1=r2 =0.32。当腔长转短时，若1／2L比a总小或接近，一个端面镀 金反膜会使J阈 明显降低，但当腔长 L较长时， J阈的降低就不明显了。 图3-25 GaAs激光器的伏安特性 方向性: 图3-26给出了半导体激光束的空间分布示意图。 图3-26 激光束的空间分布示意图 因为半导体激光器的谐振腔短小,所以激光束的方向性较之其他典型的激光器要差很多。而且由于有源区厚度很薄，有源区的条宽比厚度大很多倍，所以在垂直于结的方向和平行于结均方向的光束发散角是不对称的，前者要大数倍。 同质结和异质结半导体激光器 3.4 半导体激光器 光谱特性:图(3-27)是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。 图3-27 GaAs激光器的发射光谱 同质结和异质结半导体激光器 3.4 半导体激光器 GaAs的激射光谱线宽比固体和气体激光器要宽。这是因为半导体产生激光时,粒子反转分布并不是在两个分立的能级之间,而是在导带和价带之内。每个能带都包含了许多级,这就使复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围。由于增益谱线宽,其发射光谱的单色性就要差一些。 实际的激光器发射光谱的结构是很复杂的,光谱宽度随注入电流增加而变宽,一般可从零点几纳米到几纳米范围内变化。同时,半导体激光器的光谱随温度而变化。当温度升高时,激光的峰值波长向长波方向移动。对GaAs同质结器件,峰值波长在77K时为0.84um,300K时为0.902um。 同质结和异质结半导体激光器 3.4 半导体激光器 同质结和异质结半导体激光器 3.4 半导体激光器 同质结和异质结半导体激光器 3.4 半导体激光器 转换效率半导体激光器所用的转换效率常用“功率效率”和“量子效率”来度量。 P——输出功率 Pth ——阈值发射光功率 hv——发射光子能量 i——正向电流 ith ——正向阈值电流 e——电子电量 V——正向偏压 RS——激光器串联内阻 一般同质结激光器在室温下的功率效率仅有百分之几。为了提高功率效率应尽可能减小内阻。 外微分量子效率: 功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比 同质结和异质结半导体激光器 3.4 半导体激光器 异质结半导体激光器 单异质结半导体激光器:单异质结器件结构如图(3-28)(b)所示； 双异质结半导体激光器:双异质结半导体激光器结构如图(3-28)(c)所示。 图3-28 同质结、异质结结构示意图 同质结和异质结半导体激光器 3.4 半导体激光器 理论分析及实验研究表明，同质结激