单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3.3,激光光源,激光光源的优点,方向性强、单色性好、相干性好、光亮,度高等。,激光器的分类,1.,按激光器,工作物质,的种类分,固体激光器,气体激光器,液体激光器,半导体激光器,2.,按激光器,工作方式,分,连续型激光器 超短脉冲型激光器,脉冲型激光器,Q,突变型激光器,3.3.1,半导体激光器的分类,半导体激光器，也称激光二极管,(Laser Diode,，简称,LD),，,是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器。它可分为,1.,从半导体激光器的反射激光看,半导体结型二极管注入式激光器,垂直腔表面发射半导体激光器,2.,从结型看,同质结激光器 异质结激光器,3.,从制造工艺看,一般半导体激光器,分布反馈式半导体激光器,量子阱半导体激光器,4.,从阵列看,单元阵列 一维线阵列 二维面阵列,5.,从发光的光谱看,可见光半导体激光器 非可见光半导体激光器,3.3.2,激光的产生机理,光的吸收与发射和原子、分子等粒子的能量状态改变相关,联。当粒子从高能级跃迁到低能级时发出辐射光子，而当粒子,从低能级跃迁到高能级时吸收光子。激光的产生机理一般涉及,受激辐射,、,粒子数反转,与,谐振,三个关键问题。,1.,自发辐射与受激辐射,设,E,1,为基态能级，,E,2,为激发态能级。在常温下大部分电子,处于基态。当原子在,E,1,与,E,2,两个能级之间跃迁时将产生,自发辐,射,、,受激辐射,和,受激吸收,三个基本过程。,自发辐射的特点,每个原子的跃迁是独立的,自发进行的，它们彼此毫无关,系，因而发出的辐射是杂乱无,章的非相干光。,自发辐射的寿命就是原子,处于激发态的平均时间，一般,在,10,-9,10,-3,s,。,图,3-24,原子的自发辐射、受激辐射和受激吸收示意图,受激辐射,当能量,hv,的辐射作用在处于受激能级,E,2,的原子上时，原子,因受激而从不稳定的受激能级,E,2,跃回到基态，并发射出频率、,位相和方向都与入射辐射光子相同的能量为,hv,的光子。,受激吸收,原子接受辐射能,hv,从基态能级,E,1,跃入受激能级,E,2,受激吸收,的过程。原子在激发态时不稳定的，在没有任何外界刺激的条,件下，又自发返回基态的趋势，并放出能量为,hv,的光子。,产生激光的必要条件,受激辐射占主导地位。,2.,粒子数反转,-,分布反转,要使激光工作物质的受激辐射占主导地位，就必须从外部,给工作物质提供能来能量，使处于激发态的载流子数远大于处,于基态的载流子数。也就是把载流子的正常分布倒转过来，称,为,粒子数的反转,或,粒子分布的反转状态,。,粒子数的反转是使受激辐射从次要地位转化为主导地位的,必要条件，也是产生激光发射的必要条件,。,使激光物质产生粒子反转的方法有：,固体激光器常采用适当谱线的强光对激光物质进行照射；,气体激光常采用使气体电离的方法；,半导体激光器采用注入载流子的方法。,3.,谐振腔,产生谐振的方法,在激光物质的两侧放置相互平行的反光镜，形成光的“共,振”现象。通常将能使光产生“共振”的装置称为“共振腔”或“谐,振腔”。,自发辐射的方向不与谐振腔轴线平行的光子将被反射出腔,外，只有与轴线平行的自发辐射光子才能产生“共振”现象而被,增强，形成受激辐射。即平行于腔轴的光子在腔内的两个反射,面上来回反射，反复通过工作物质，依靠受激辐射，光子每通,过一次工作物质便得到一次增强，使光子数不断增长。,产生激光的又一个必要条件,谐振腔,受激辐射的光子在谐振腔中来回多次反射的过程中，因,散射、投射和吸收等原因而受到损耗。如果光子在腔内来回,一次所感生出来的光子数比损耗掉的多得多，便可以产生激,光谐振。同时光在两反射面之间的反射形成两列相反方向传,播的光波，只有这两列光波叠加形成驻波时，这种振荡才是,稳定的。,产生稳定的振荡条件：,共振腔的长度,L,恰好等于辐射光半波长的整数倍，即,（,3-9,）,式中，,n,为与波长,相关的介质折射率；,m,为正整数。对于不,同的,m,值，将有不同波长的驻波相对应。,通常将在共振腔内沿腔轴方向的各种可能的驻波叫做,谐,振腔的纵模,。谐振腔的谐振频率或称纵模频率，即,v=mc/2nL,（,3-10,）,纵模频率,v,只与腔体长度,L,及介质材料的折射率,n,有关。与其他,参数无关。,获得激光输出的,3,个必要条件为,：,必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能级上去，,为此需要泵浦源；,要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗；,有一个谐振腔为出射光子提供正反馈极高的增益，用以,维持受激辐射的持续振荡,法布里,-,珀罗腔,在半导体激光器中，,两端的解理面起到反射镜,的作用。图,3-24,所示为不,需外加,反射镜的,法布里,珀罗腔光学谐振腔。,图,3-24,法布里,-,珀罗光学谐振腔,解理面作为反射镜的,反射率,为,（,3-11,）,式中，,n,为增益介质的折射率，其典型值为,3.5,，解理面的,反射率为,30%,。,阈值增益,只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起,稳定的振荡。这一临界增益被称为阈值增益。,阈值电流,为达到阈值增益所要求的注入电流。,设一振幅为,E,0,，频率为,，波数,K=n,/c,的平面波，在长,度为,L,、功率增益系数为,g,的光腔中往返一次后，其振幅将增,大到,exp(,g/2,)(,2L,),倍，相位变化为,2,KL,，考虑到激光器内的各,种吸收和散射损耗及端面透射输出，振幅变化为,R,1,、,R,2,为端面反射率，,int,为腔内总损耗率。在稳定工作时，平,面波在腔内往返一次强度,E,0,应保持不变。即,（,3,-12,）,令等式两边,振幅,和,相位,分别相等，则得,（,3-13,）,（,3,-14,）,式中，,K,=2,nv/c,，,m,为整数。,激光稳定工作的条件,振幅条件和相位条件。,振幅条件,规定增益和电流的最小值,相位条件,规定激光器的振荡频率,v,必为,v,=mc/2nL,中的,一个频率。这些频率对应于,纵向模式,（简称纵模），并与光学,谐振腔的长度有关。,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。,多（纵）模激光器,-,有,2,个以上纵模激励的激光器。,单（纵）模激光器,在谐振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励,图,3-25,激光器纵模分布及增益曲线,3.3.3,半导体激光器,半导体激光器有,电子束激励式,注入式,应用最普遍,1.PN,结型二极管注入式激光器,结构与原理,根据产生激光所必须具备的条件，激光器一般由三部分组,成，即,激发装置（泵源）,工作物质,谐振腔,激光器的结构,工作物质制成,PN,结并切成长方块。为实现分布反转，结区,的两侧都要求是重掺杂半导体材料，使费米能级分别进入导带,及价带内。,左、右两面是二极管的辐射输出端面，由一对相互,图,3-26,结型半导体激光器结构,平行的解理面或抛光面构成，并与结平面垂直，这对平面构成,了端部反射器。前后两面是粗糙的，用来消除主要方向以外的,激光作用。焊上引出线后，为二极管提供的电流就从引出线流,向散热器。,原理,结型激光器所用的半导,体材料是重掺杂半导体，能,带结构如图,3-27(a),所示。,平衡态时，,P,区价带顶没有电,子，,N,区导带底有高浓度的电,子。,图,3-27,结型激光器的能带结构,当,PN,结加上正向偏压后，势垒降低，外加电压,U,使,N,区和,P,区,的费米能级分开并分别进入导带和价带内。由于势垒降低，大量,电子由,N,区越过势垒与,P,区的空穴符合，发射出能量等于,hv,的光子。,空穴也可由,P,区流入,N,区域电子复,合发射光子。,当外加电压足够大,(qU,E,g,),时，,在势垒区和它的两侧一个扩散,长度范围内将出现一个分布反,转区，这就是发射激光的工作,区。再加上端面反射的反馈便,会产生激光。,图,3-27,结型激光器的能带结构,主要特性,激光阈值条件及影响阈值的因素,在激光器中，要维持激光振,荡，不仅需要是光子的产生速率,超过吸收速率，而且还要超过光,子在结区的损耗率，以抵偿吸收,与损耗的光子。,I,th,为阈值电流,-,达到阈值增,益时注入的电流密度。,图,3-28,激光器的输出特性曲线,影响阈值的因素,实验条件,衬底相同、共振腔的长度不同时，在不同温度,下进行实验。,a.I,th,与激光器长度,L,有关，激光,器长度,L,越大，,I,th,越小；,b.I,th,与二极管表面反射率有关；,c.I,th,与结区表面透过损耗有关；,d.I,th,与结区附近物质的吸收损耗,有关；,图,3-29,典型,GaAs,激光器的阈值电流,I,th,与腔长的关系,e.I,th,与温度有关；在室温以下的全部温度范围内都能保持良好,的线性关系，在低温下,I,th,随掺杂浓度而增大，在高温下与,T,3,成正比；,要达到同一增益，低温下所需的,I,th,小，高温下所需,的,I,th,大，所以半导体激光器多在低温下使用；,f.I,th,与单轴向压力,(,指在一个轴的方向上加压力,),有关，,I,th,随单,轴向压力增大而减小；,g.I,th,外加磁场有关，,I,th,随外加磁场强度的增大明显减小，并趋,于稳定值。,半导体激光器的阈值电流都比较大。,阈值电流很高的激光,器，通常用脉冲电流来激励，以降低平均热损耗,。,频谱分布,结型激光器的频谱分布取决于组成激光器的半导体材料,，,在低于激光阈值时，因为频谱,来源于自发发射过程，它的光是非,相干的，所以谱线相当宽,。随着电,流的增大，受激辐射逐渐增强，当,电流增大到阈值以上，发生共振，,发射谱线强度剧增，同时变窄，光,强与增益系数呈指数关系。,在某一特殊频率时被增强得最多，这个特定频率为谐振腔,内形成的驻波频率，也是激光发出的激光频率。,图,3-30 GaAs,激光器光谱分布曲线,2.,异质结激光器,为了降低激光器在室温下的阈值电流，实现室温下的连续,振荡。,单异质结激光器,由于,GaAs,和,Al,x,Ga,1-x,As,禁带宽度不同，因而在界面处形成,了较,高的势垒，使,从,N-GaAs,注入到,P-GaAs,中的电子继续向,P,型,铝镓砷扩散时受到阻碍，同没有这种势垒存在时比较，,P-GaAs,层内的电子浓度增大，辐射复合的几率提高。,P,型铝镓砷对来自,P-GaAs,的发光吸收系数小，损耗小。由,于铝镓砷的折射率较,GaAs,低，限制了光子进入铝镓砷区，使光,受到反射而局限在,P-GaAs,区内，减小了非受激区对光的吸收。,单异质结激光器在低温下阈值电流密度与同质结差不多，,但在温度变化时，单异质结激光器得阈值随温度的变化较小，,如室温下的阈值电流密度可降至,8000 A/cm,2,，但也只能实现室,温下的脉冲振荡。,图,3-31,单异质结激光器的能带结构,双异质结激光器,双异质结激光器的阈值电流进一步降低到,1000,3000 A/cm,2,，,实现了室温下的连续振荡。实验证明，阈值电流随温度的变化,也较小。,图,3-32,双异质结激光器的能带结构,3.,半导体激光器的应用,半导体激光器自,1962,年问世以来，发展极为迅速。特别,是进入,20,世纪,80,年代，借用微电子学制作技术，现已大量生,产半导体激光器。以半导体,LD,条和,LD,堆为代表的高功率半导,体激光器品种繁多。,LD,在激光通信、光纤通信、光存储、光陀螺、激光打印、,光盘录放、测距、制导、引信以及光雷达等方面已经获得了,广泛应用，大功率,LD,可用于医疗、加工和作为固体激光器的,泵浦源等。,