第十二次课-激光原理课件

第五章第五章 典型的激光器件典型的激光器件问题问题1：半导体激光器：半导体激光器有什么特点？有什么特点？特特点点：体体积积最最小小、重重量量最最轻轻，使使用用寿寿命命长长，有有效效使使用用时时间间超超过过1010万万小小时时。易易泵泵浦浦。易易与与集集成成电电路路单单片片集集成成，可可用用高高达达GHzGHz的的频频率率直直接接进进行行电电流流调调制制以以获获得得高高速速调调制制的的激激光光输输出出。目目前前已已成成为为最最实实用用的的一一类类激激光光器器，主主要要用用于于信信息息存存储储、光光纤纤通通信信和和泵泵浦浦固体激光器。固体激光器。输出波长输出波长范围：紫外、可见、红外范围：紫外、可见、红外（0.3334m）输出功率输出功率：mW、W、kW。半导体激光器半导体激光器（LD）由不同组分的半导体材料做成由不同组分的半导体材料做成的激光器。品种已达的激光器。品种已达300多种。多种。激励方式：激励方式：电子束激励电子束激励光激励光激励碰撞电离激励碰撞电离激励PN结注入电流激励结注入电流激励工作物质工作物质谐振腔谐振腔PN结（同质结）结（同质结）异质结异质结单异质结单异质结双异质结（双异质结（DH）解理面解理面布拉格反馈布拉格反馈分布反馈式分布反馈式DFB分布布拉格反射式分布布拉格反射式DBR问题问题2：如何：如何实现粒子数实现粒子数反转呢？反转呢？1962年研制成功年研制成功1970年研制成功年研制成功首先了解半导体材料的能级结构首先了解半导体材料的能级结构能带的形成原因：由于相邻原子的扰动，使得原子的能级分裂；能带的形成原因：由于相邻原子的扰动，使得原子的能级分裂；因为原子数目大，新能级多，因而相邻能级差极小而形成能带因为原子数目大，新能级多，因而相邻能级差极小而形成能带由原子最外层轨由原子最外层轨道的道的价电子价电子能级分裂能级分裂的能带（的能带（基态能级基态能级）由由激发态激发态能级分裂能级分裂 的能带的能带不允许电子存在的区域不允许电子存在的区域图图5-43 5-43 电子在本征半导体中的分布电子在本征半导体中的分布导带导带价带价带禁带宽度禁带宽度Eg=Ec-Ev费米能级费米能级Ef半导体半导体导电性能高低与禁带宽度导电性能高低与禁带宽度有关。宽度越小，电子越容易有关。宽度越小，电子越容易从价带跃迁到导带，因而导电性能越好。从价带跃迁到导带，因而导电性能越好。电子在能带中的分布服从费米电子在能带中的分布服从费米狄拉克分布，能级狄拉克分布，能级E E被电子占据被电子占据的几率为：的几率为：Ef T=0时完全填满的能级和完全空态的能级时完全填满的能级和完全空态的能级的的边界边界。对于本征半导体，它处于禁带的中心。对于本征半导体，它处于禁带的中心。当当T0 时，有时，有不导电不导电当当T0 时，有时，有导电且可导电且可辐射光子辐射光子hv电子填充空穴的过程称为电子与空穴的复合。电子填充空穴的过程称为电子与空穴的复合。半导体材料就是利用这种复合来发光的。半导体材料就是利用这种复合来发光的。本征半导体中，电子与空穴数量相等。为了增强导电性，在半本征半导体中，电子与空穴数量相等。为了增强导电性，在半导体中人为掺入少量杂质形成导体中人为掺入少量杂质形成掺杂半导体。掺杂半导体。N型半导体型半导体本征半导体本征半导体P型半导体型半导体 本征半导体（本征半导体（I I型）型）：杂质、缺陷极少的纯净、完整的半导体。杂质、缺陷极少的纯净、完整的半导体。电子半导体（电子半导体（N N型）型）：通过掺杂使电子数目大大地多于空穴数目通过掺杂使电子数目大大地多于空穴数目的半导体。（的半导体。（GaAsGaAs-Te-Te）空穴半导体（空穴半导体（P P型）型）：通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数目通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数目的半导体。（的半导体。（GaAsGaAs-Zn-Zn）费米能级进入导带费米能级进入导带激光上能级区间：激光上能级区间：电子处于上能级的几率：电子处于上能级的几率：费米能级进入价带费米能级进入价带激光下能级区间：激光下能级区间：电子处于下能级的几率：电子处于下能级的几率：粒子数反转要求：粒子数反转要求：导带能级被电子占据的几率应大于与辐导带能级被电子占据的几率应大于与辐射相关的价带能级被电子占据的几率。即射相关的价带能级被电子占据的几率。即这对于纯这对于纯P型或纯型或纯N型半导体可能吗？型半导体可能吗？怎么办？怎么办？用用PNPN结结 将将P P型和型和N N型结合在一起，型结合在一起，在接触面上就形成了在接触面上就形成了PNPN结。结。因为结两侧存在着空穴因为结两侧存在着空穴和电子浓度差，和电子浓度差，P P区的空穴区的空穴向向N N区扩散，区扩散，N N区的电子向区的电子向P P区扩散，形成一个逐渐增区扩散，形成一个逐渐增大的内建电场。大的内建电场。P P区因获得电子费米能级区因获得电子费米能级升高，升高，N N区因获得空穴费米区因获得空穴费米能级降低。能级降低。内部电场产生与扩散相内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到反方向的漂移运动，直到P P区和区和N N区的区的E Ef f 相同，两种相同，两种运动处于平衡状态为止运动处于平衡状态为止。内建电场内建电场E=E=eVeVD DPNPN若在若在PNPN结上加正结上加正向电压向电压VEVEg g/e/eVVVGt，腔内光功率，腔内光功率 输出光功率输出光功率问题问题5 5：有哪些结构：有哪些结构的的LD?LD?它们有什么不它们有什么不同？同？最简单的半导体激光器最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度由一个薄有源层（厚度约约0.1m0.1m）、）、P P型和型和N N型型限制层构成。限制层构成。解理面解理面金属接触金属接触电流电流有源层有源层P型型N型型300m100m200m1 1、同质结（、同质结（PNPN结）半导体激光器结）半导体激光器 PN结结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作2 2、单异质结（、单异质结（SHSH）半导体激光器）半导体激光器 同质结、单异质结结构示意图同质结、单异质结结构示意图为了获得高势垒为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。这这种结构由种结构由三层三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。不同的光波长。结构结构中间中间有一层厚有一层厚0.1-0.3 m0.1-0.3 m的窄带隙的窄带隙P P型半导体，称为型半导体，称为有源层有源层；两侧两侧分别为宽带隙的分别为宽带隙的P P型和型和N N型半导体，称为型半导体，称为限制层限制层。三层半导体置于三层半导体置于基片基片(衬底衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里镜构成法布里-珀罗珀罗(FP)(FP)谐振腔。谐振腔。3 3、双异质结（、双异质结（DHDH）半导体激光器）半导体激光器 光光强强折折射射率率能能级级阈值电流密度进一步降低，阈值电流密度进一步降低，很小的散热体就可以在室温连续工作。很小的散热体就可以在室温连续工作。234、分布反馈激光器、分布反馈激光器(Distributed Feed Back,DFB)优点：优点：单纵模单纵模 谱线窄，谱线窄，波长稳定性好波长稳定性好 动态谱线好动态谱线好 线性好线性好发射的激光频发射的激光频率完全由光栅率完全由光栅的周期决定的周期决定LDLD发射的是发射的是受激辐射光受激辐射光LEDLED发射的是发射的是自发辐射光自发辐射光LEDLED不需要光学谐振腔，不需要光学谐振腔，没有阈值。没有阈值。LEDLED的结构和的结构和LDLD相似，大多是采用相似，大多是采用双异质结双异质结(DH)(DH)芯片芯片，把有源层夹在，把有源层夹在P P型和型和N N型限制层型限制层中间。中间。问题问题6：LD 和和LED的主要区别是什么？的主要区别是什么？区别区别联系联系4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流电流/mA输输出出功功率率/mWLEDLED的的P-IP-I特性特性543210 0 50 100 I/mA发发射射光光功功率率P/P/mWmW 22 50 70 LDLD的的P-IP-I特性特性半导体激光器半导体激光器(LD)(LD)和发光二极管和发光二极管(LED)(LED)的一般性能的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作温度工作温度 /C寿命寿命 t/h30120 30120 2050 2050辐射角辐射角50150 301005002000 5001000调制带宽调制带宽 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纤功率入纤功率 P/mW15 13510 510输出功率输出功率 P/mW100150工作电流工作电流 I/mA2030 3060阀值电流阀值电流 Ith/mA50100 6012012 13谱线宽度谱线宽度1.3 1.551.3 1.55工作波长工作波长LEDLD100150图图 3.8 GaAlAs-DH3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样条形激光器的近场和远场图样 平行于结平面的谐振平行于结平面的谐振腔宽度腔宽度w由宽变窄，由宽变窄，场图呈现出由多横模场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的很薄，这个方向的场图总是场图总是单横模单横模。28GaAlAs DH条形激光器的光场条形激光器的光场(b)光强的角分布光强的角分布(a)辐射光束辐射光束 图图3.93.9为为典典型型半半导导体体激激光光器器的的远远场场辐辐射射特特性性，图图中中和和分分别别为为平平行行于于结结平平面面和和垂垂直直于于结结平平面面的的辐辐射射角角，整整个个光光束束的的横横截面呈椭圆形。截面呈椭圆形。29 通通常常把把光光源源做做成成组组件件，同同时时利利用用热热敏敏电电阻阻和和冷冷却却元元件件进进行温度监测和自动温度控制行温度监测和自动温度控制(ATC)。实际应用中的光源模块实际应用中的光源模块作业作业P171 T13再见再见