半导体激光器课件.ppt
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1、 6.3.1 6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 一、一、半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理 受激辐射和受激辐射和粒子粒子数反转分布数反转分布 PNPN结的能带结的能带和和电子分布电子分布 激光振荡和激光振荡和光学光学谐振腔谐振腔 二、半导体激光器二、半导体激光器基本基本结构结构 6.3.2 6.3.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 一、一、发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 二、二、激光束的空间分布激光束的空间分布 三、三、转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 四、四、频率特性频率特性 五、五、温度特性温度特性 6
2、3.3 6.3.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 一、一、工作原理工作原理 二、二、DFBDFB激光器的优点激光器的优点 半导体激光器(半导体激光器(Laser Diode Laser Diode 即即LDLD)6.3.1 6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 半半导导体体激激光光器器是是向向半半导导体体PNPN结结注注入入电电流流,实实现现粒粒子子数数反反转转分分布布,产产生生受受激激辐辐射射,再再利利用用谐谐振振腔腔的的正正反反馈馈,实现实现光放大光放大而产生而产生激光振荡激光振荡的。的。光受激辐射、发出激光必须具备三个光受激辐射、发出激光必须具备三个
3、要素要素:1 1、激活介质激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁;经受激后能实现能级之间的跃迁;2 2、能使激活介质产生、能使激活介质产生粒子数反转粒子数反转的泵浦装置;的泵浦装置;3 3、放放置置激激活活介介质质的的谐谐振振腔腔,提提供供光光反反馈馈并并进进行行放放大大,发发出激光。出激光。1.1.受激辐射受激辐射和粒子数反转分布和粒子数反转分布2.2.有有源源器器件件的的物物理理基基础础是是光光和和物物质质相相互互作作用用的效应的效应。3.3.在在物物质质的的原原子子中中,存存在在许许多多能能级级,最最低低能能级级E E1 1称称为为基基态态,能能量量比比基基态态大大的的能能级级E Ei i
4、i(i=2,=2,3,3,4 4)称称为为激激发发态态。(热热力力学学平平衡衡状状态态下下,在在较低能级上比较高能级上存在较多的电子较低能级上比较高能级上存在较多的电子)4.4.电电子子在在低低能能级级E E1 1的的基基态态和和高高能能级级E E2 2的的激激发发态态之之间间的的跃跃迁迁有有三三种种基基本本方方式式:受受受受激激激激吸吸吸吸收收收收(本本本本征征征征吸收)吸收)吸收)吸收)自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射 受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射(a)(a)自发辐射自发辐射h=E2-E1初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1光子的特点:非相干光光子的特点:非相干光h初态初
5、态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1(b)(b)受激辐射受激辐射光子的特点:相干光光子的特点:相干光 (c)(c)受激吸收受激吸收 h终态终态终态终态E2E1初态初态初态初态E2E1 产生激光的必要条件一:受激辐射占主导地位产生激光的必要条件一:受激辐射占主导地位h初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1(b)(b)受激辐射受激辐射(1)(1)自发辐射自发辐射 在在高高能能级级E E2 2的的电电子子是是不不稳稳定定的的,即即使使没没有有外外界界的的作作用用,也也会会自自动动地地跃跃迁迁到到低低能能级级E E1 1上上与与空空穴穴复复合合,释释放放的的能能量量转转换换为为光光子子
6、辐射出去,这种跃迁称为辐射出去,这种跃迁称为自发辐射自发辐射,见图,见图6 615(a)15(a)。(2)(2)受激辐射受激辐射 在在高高能能级级E E2 2的的电电子子,受受到到入入射射光光的的作作用用,被被迫迫跃跃迁迁到到低低能能级级E E1 1上上与与空空穴穴复复合合,释释放放的的能能量量产产生生光光辐辐射射,这这种种跃跃迁迁称称为为受受激激辐辐射射,见图,见图6 615(b)15(b)。(3)(3)受激吸收受激吸收 在正常状态下,电子处于低能级在正常状态下,电子处于低能级E1E1,在入射光作用下,它会,在入射光作用下,它会吸收光子的能量跃迁到高能级吸收光子的能量跃迁到高能级E2E2上,
7、这种跃迁称为受激吸收。电上,这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后,在低能级留下相同数目的空穴,见图子跃迁后,在低能级留下相同数目的空穴,见图6 615(c)15(c)。受激辐射受激辐射和和自发辐射自发辐射区别在于是否有外来光子的参与,且产生区别在于是否有外来光子的参与,且产生的光的特点很不相同。的光的特点很不相同。受激辐射受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同,光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同,这种光称为这种光称为相干光相干光。自发辐射自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的,其光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的,其频率和方向分布在一定范围内,相位和偏振态是
8、混乱的,这种频率和方向分布在一定范围内,相位和偏振态是混乱的,这种光称为光称为非相干光非相干光。受激辐射受激辐射和和受激吸收受激吸收的区别与联系的区别与联系 受受激激辐辐射射是是受受激激吸吸收收的的逆逆过过程程。电电子子在在E E1 1和和E E2 2两两个个能能级级之之间间跃跃迁迁,吸吸收收的的光光子子能能量量或或辐辐射射的的光光子子能能量量都都要要满满足足波波尔尔条条件件,即即 E E2 2-E-E1 1=h=h式式中中,h=6.628h=6.6281010-34-34J Js s,为为普普朗朗克克常常数数,为为吸吸收收或或辐辐射射的的光子频率。光子频率。产产生生受受激激辐辐射射和和产产生
9、生受受激激吸吸收收的的物物质质是是不不同同的的。设设在在单单位位物物质质中中,处处于于低低能能级级E E1 1和和处处于于高高能能级级E E2 2(E(E2 2 E E1 1)的的原原子子数数分分别别为为N N1 1和和N N2 2。当系统处于当系统处于热平衡状态热平衡状态时,存在下面的分布时,存在下面的分布 式式中中,k=1.381k=1.3811010-23-23J/KJ/K,为为波波尔尔兹兹曼曼常常数数,T T为为热热力力学学温温度度。由由于于(E(E2 2-E-E1 1)0)0,T0T0,所所以以在在这这种种状状态态下下,总总是是N N1 1NN2 2。这这是是因因为电子总是首先占据低
10、能量的轨道。为电子总是首先占据低能量的轨道。受受激激吸吸收收和和受受激激辐辐射射的的速速率率分分别别比比例例于于N N1 1和和N N2 2,且且比比例例系数系数(吸收和辐射的概率吸收和辐射的概率)相等。相等。如如果果N N1 1NN2 2,即即受受激激吸吸收收大大于于受受激激辐辐射射。当当光光通通过过这这种种物物质时,光强按指数衰减,质时,光强按指数衰减,这种物质称为这种物质称为吸收物质吸收物质。如如果果N N2 2NN1 1,即即受受激激辐辐射射大大于于受受激激吸吸收收,当当光光通通过过这这种种物物质时,会产生放大作用,这种物质称为质时,会产生放大作用,这种物质称为激活物质激活物质。N N
11、2 2NN1 1的的分分布布,和和正正常常状状态态(N(N1 1NN2 2)的的分分布布相相反反,所所以以称称为为粒子粒子(电子电子)数反转分布数反转分布。问题:问题:如何得到粒子数反转分布的状态呢如何得到粒子数反转分布的状态呢?导带导带 价带价带 导带导带 价带价带正常分布正常分布反转分布反转分布产生激光的必要条件二:粒子数反转分布产生激光的必要条件二:粒子数反转分布产生粒子数反转的方法产生粒子数反转的方法注入载流子半导体激光器注入载流子半导体激光器强光对激光物质进行照射固体激光器强光对激光物质进行照射固体激光器气体电离气体激光器气体电离气体激光器 图图 3.2 3.2 半导体的能带和电子分
12、布半导体的能带和电子分布 (a)(a)本征半导体;本征半导体;(b)N(b)N型半导体;型半导体;(c)P(c)P型半导体型半导体 2.PN2.PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 在在半半导导体体中中,由由于于邻邻近近原原子子的的作作用用,电电子子所所处处的的能能态态扩扩展展成成能能级级连连续续分分布布的的能能带带。能能量量低低的的能能带带称称为为价价带带,能能量量高高的的能能带带称称为为导导带带,导导带带底底的的能能量量E Ec c 和和价价带带顶顶的的能能量量E Ev v 之之间间的的能能量量差差E Ec c-E Ev v=E=Eg g称为称为禁带宽度禁带宽度或或带隙带隙。电子不可能
13、占据禁带。电子不可能占据禁带。在在热热平平衡衡状状态态下下,能能量量为为E E的的能能级级被被电电子子占占据据的的概概率率为为费费米米分分布布 式式中中,k k为为波波兹兹曼曼常常数数,T T为为热热力力学学温温度度。E Ef f 称称为为费费米米能级能级,用来描述半导体中各能级被电子占据的状,用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。态。在费米能级,被电子占据和空穴占据的概率相同。在费米能级,被电子占据和空穴占据的概率相同。(3.3)一一般般状状态态下下,本本征征半半导导体体的的电电子子和和空空穴穴是是成成对对出出现现的的,用用E Ef f 位于禁带中央来表示,见图位于禁带中央来表示,见图3.
14、2(a)3.2(a)。在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入施施主主杂杂质质,称称为为N N型型半半导导体体,见见图图3.2(b)3.2(b)。在在本本征征半半导导体体中中,掺掺入入受受主主杂杂质质,称称为为P P型型半半导导体体,见见图图3.2(c)3.2(c)。在在P P型型和和N N型型半半导导体体组组成成的的PNPN结结界界面面上上,由由于于存存在在多多数数载载流流子子(电电子子或或空空穴穴)的的梯梯度度,因因而而产产生生扩扩散散运运动动,形形成成内内部部电电场场,见见图图3.3(a)3.3(a)。内内部部电电场场产产生生与与扩扩散散相相反反方方向向的的漂漂移移运运动动,直直到到P P区
15、区和和N N区区的的E Ef f 相相同同,两两种种运运动动处处于于平平衡衡状状态态为为止止,结结果果能能带带发发生生倾倾斜斜,见见图图3.3(b)3.3(b)。(a)P-Na)P-N结内载流子运动;结内载流子运动;P区区PN结空结空间电间电荷区荷区N区区内部电场内部电场 扩散扩散 漂移漂移势垒势垒能量能量EpcP区区EncEfEpvN区区Env(b)(b)零零偏偏压压时时P-NP-N结结的能带倾斜图的能带倾斜图图图 3.33.3PNPN结的能带和电子分布结的能带和电子分布h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子,电子,空穴空穴内部电场内部电场外加电场外加电场正向偏压下正向偏压下P
16、NP-N结能带图结能带图获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布 增益区(作用区)的产生:增益区(作用区)的产生:在在PNPN结结上上施施加加正正向向电电压压,产产生生与与内内部部电电场场相相反反方方向向的的外外加加电电场场,结结果果能能带带倾倾斜斜减减小小,扩扩散散增增强强。电电子子运运动动方方向向与与电电场场方方向向相相反反,便便使使N N区区的的电电子子向向P P区区运运动动,P P区区的的空空穴穴向向N N区区运运动动,最最后在后在PNPN结形成一个特殊的结形成一个特殊的增益区增益区。增增益益区区的的导导带带主主要要是是电电子子,价价带带主主要要是是空
17、空穴穴,结结果果获获得得粒粒子数反转分布子数反转分布,见图,见图3.3(c)3.3(c)。在在电电子子和和空空穴穴扩扩散散过过程程中中,导导带带的的电电子子可可以以跃跃迁迁到到价价带带和和空空穴穴复复合合,产产生生自自发发辐辐射射光光,这这些些光光子子将将引引起起处处于于反反转转分分布布状状态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。产生粒子数反转分布的条件:产生粒子数反转分布的条件:3 3 激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔工作物质工作物质光光增增益益ECEV产生激光的必要条件三:有光学谐振腔产生激光的必要条件三:有光学谐振腔激光振荡
18、的产生激光振荡的产生 粒粒子子数数反反转转分分布布(必必要要条条件件)+)+激激活活物物质质置置于于光光学学谐谐振振腔腔中中,对光的频率和方向进行选择对光的频率和方向进行选择 =连续的光放大和激光振荡输出。连续的光放大和激光振荡输出。基基本本的的光光学学谐谐振振腔腔由由两两个个反反射射率率分分别别为为R1R1和和R2R2的的平平行行反反射射镜构成,并被称为法布里镜构成,并被称为法布里-珀罗珀罗(FabryFabryPerotPerot,FP),FP)谐振腔。谐振腔。由由于于谐谐振振腔腔内内的的激激活活物物质质具具有有粒粒子子数数反反转转分分布布,可可以以用用它它产生的产生的自发辐射光自发辐射光
19、作为入射光。作为入射光。3 3 激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔激光稳定工作的条件激光稳定工作的条件1 1:合适的谐振腔:合适的谐振腔产生稳定振荡的条件(相位条件)产生稳定振荡的条件(相位条件)m m 纵模模数,纵模模数,n n 激光媒质的折射率激光媒质的折射率注入电流注入电流有源区有源区解理面解理面解理面解理面L增益介质增益介质R1R2z=0z=L 法布里法布里珀罗腔珀罗腔 只有当增益等于或大于总损耗时,才能建立起稳定的只有当增益等于或大于总损耗时,才能建立起稳定的振荡,这一增益称为振荡,这一增益称为阈值增益阈值增益。为达到阈值增益所要求。为达到阈值增益所要求的注入电流称为的注入电流
20、称为阈值电流阈值电流。一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时,才能成一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时,才能成为工作模式,即在该频率上形成激光输出。为工作模式,即在该频率上形成激光输出。激光稳定工作的条件激光稳定工作的条件2 2:光增益等于或大于总损耗:光增益等于或大于总损耗在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为阈值条件为 th=+式式中中,th th 为为阈阈值值增增益益系系数数,为为谐谐振振腔腔内内激激活活物物质质的的损损耗系数,耗系数,L L为谐振腔的长度,为谐振腔的长度,R R1 1,R R2 211为两个反射镜的反射率为两个反射镜的反射率 式式
21、中中,为为激激光光波波长长,n n为为激激活活物物质质的的折折射射率率,m=1,m=1,2,2,3 3 称为纵模模数。称为纵模模数。在共振腔内在共振腔内沿腔轴方向沿腔轴方向形成的各种形成的各种驻波驻波称为谐振腔的称为谐振腔的纵模。纵模。有有2 2个以上纵模激振的激光器,称为个以上纵模激振的激光器,称为多纵模激光器多纵模激光器。通过在光。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法,可以使激光器只有腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法,可以使激光器只有一个模式激振,这样的激光器称为一个模式激振,这样的激光器称为单纵模激光器单纵模激光器。L=m 激光振荡的相位条件为激光振荡的相位条件为LDLD的发
22、光过程的发光过程注入电流,即注入载流子;注入电流,即注入载流子;在在有有源源区区形形成成粒粒子子数数反反转转,导导带带电电子子不不稳稳定定,少少数电子自发跃迁到价带,产生光子;数电子自发跃迁到价带,产生光子;1个个光光子子被被导导带带中中电电子子吸吸收收跃跃迁迁到到价价带带,同同时时释释放放出出2个个相相干干光光子子,持持续续这这个个过过程程,直直到到释释放放出出多个相干光子,即在合适的腔内振荡放大;多个相干光子,即在合适的腔内振荡放大;光光子子稳稳定定振振荡荡,光光能能量量大大于于总总损损耗耗时时,LD开开始始工工作。作。4.4.半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构驱动电源驱动电源工作物
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