Littrow结构光栅外腔半导体激光器.ppt

Littrow 结构光栅外腔半导体激光器 宋红芳,一、半导体激光器的组成及其激光产生原理,二、激光二极管产生激光的特点,三、外腔结构,四、机械设计,五、电流控制恒流源,六、温度控制,一、半导体激光器的组成及其激光产生原理,1、组成 增益介质：半导体材料，主要有GaAs、InP、CdS、ZnS等 泵浦源：电注入、电子束激励和光泵浦三种主要激励方式 谐振腔：半导体晶体中垂直于PN结平面的两个解理面（也可以是经过抛光的平面）作为反射镜构成谐振腔,2、激光产生条件,实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件,（1）、粒子数反转：通过一定的激励方式，使半导体物质的导带底层电子数远大于价带顶层电子数。,在电注入方式下：选用重掺杂的P型与N型材料，给PN结加一个足够大的正向偏压。,（2）、阈值条件：,（增益大于损耗）,A、粒子数反转程度越高，增益系数越大 掺杂程度足够大，激励电流足够大,B、损耗来源于多方面，一般是腔长越长损耗越大。,对于给定的半导体激光管，要满足阈值条件就是要有足够大的激励电流阈值电流,（3）、谐振条件：,I,A,B,激光,P,N,L,图1 激光二极管内 激光的产生,二、激光二极管的特点,1、优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、寿命长、效率高等,2、缺点：激光性能受温度影响大、光束发散角大（几到二十度范围）、激光的方向性、单色性和相干性比较差,外腔结构,三、外腔结构,1、由激光二极管、准直透镜和闪耀光栅组成,入射光,一级光原路返回,零级光出射,d,图2 外腔结构示意图,2、需满足方程：, 一级闪耀, 谐振条件,（1）从激光二极管中出射的光波长范围很大，但是波长满足式的光会发生一级闪耀，原路返回。 （2）腔长满足式，则返回的光与激光管内发出的光谐振。,（3）对于零级光，光程差：,即：,也就是说，在零级这个方向上任意波长的光都可以出射各波长的零级谱线是重合的。 然而由于只有发生一级闪耀的光被谐振放大，所以从零级方向出射的光，该波长的占主导，为激光。,闪耀光栅相当于一个半透半反镜，一级“反”，零级“透”。,四、机械结构,五、电流控制恒流源,由于半导体激光器具有二极管的特性，对于驱动电源来说是一个非线性负载。 而发光功率随着驱动电流的增大而增大。 为了保证电源供电的安全、可靠、稳定以及低电压大电流，需要一个恒定电流源。,恒定电流源的电路原理图,六、温度控制,1、温度对半导体激光器稳定度的影响 （1）阈值电流随温度升高而明显增大； （2）温度上升造成激光峰值波长向长波方向漂移； （3）激光管寿命随温度的升高呈指数规律下降； （4）温度变化引起外腔光程长度的改变，导致激光器工作模式的不稳定。,2、PID温度控制电路,（1）原理：,探测器,电信号,与预先设置的电 信号做比较,差值信号,信号处理,驱动制冷器,温度信号,（2）关键元器件,A、负温度系数热敏电阻：电阻值随温度的增大而减小。,B、半导体制冷器,（3）PID温控电路图,PID电路的功能： P+I使系统无稳态误差； P+D改善系统的动态特性；,使得电路系统能够准确快速地测得周围的温度并给出调控。,谢谢！,