6-3 半导体激光器

1. 6-3半导体激光器 一、半导体激光器的工作原理 和其他激光器一样，要使半导体发射激光，必须具备三大基本条件： （1）建立粒子数反转分布 受激辐射>受激吸收 （2）有一个能起光反馈作用的谐振腔 产生谐振：使增益大于损耗；形成单色光。 （3）满足一定的阈值条件（即光子限定） 光子限定于确定区域

2. 6-3半导体激光器 1. 粒子数反转——受激辐射>受激吸收 受激辐射速率 NC—导带有效状态密度 NV—价带有效状态密度 B21—爱因斯坦受激辐射系数 ρV—光子密度

3. 6-3半导体激光器 受激吸收速率 B12—爱因斯坦受激吸收系数

4. 6-3半导体激光器 受激辐射速率>受激吸收速率 将 和 代入上式，得 将 和 代入上式，得 假设 上式为 粒子数反转

5. 6-3半导体激光器 并且 粒子数反转条件 物理意义： 即 受激辐射大于受激吸收：导带底电子占据几率>价带顶电子占据几率。

6. P区 N区 6-3半导体激光器 P区 N区 ：简并半导体 粒子数反转又称电子限定

7. —p型区折射率 —有源区折射率 —n型区折射率 6-3半导体激光器 2. 光子限定 根据斯涅耳定律 光子被反射 有 ；

8. 6-3半导体激光器 3. 光谐振——增益大于损耗，产生相干光 设有源区内平面光波电场 式中 n—折射率；g—光功率增益系数；ai—光损耗系数 维持振荡谐振腔内一周期应 即

9. 6-3半导体激光器 1）阈值增益—维持振荡最小增益 gth—阈值增益 功率反射系数 那么 则 — 维持振荡

10. 光频率与L关系 6-3半导体激光器 2）振荡模式 m=1，2，3 … 只有半波长是谐振腔长度整数倍的波长的光才存在或只有满足上述条件的受激辐射的光才被放大 即 或

11. 6-3半导体激光器 3）阈值电流 产生激光振荡最小工作电流

12. 6-3半导体激光器

13. 6-3半导体激光器 二、半导体激光器的基本结构 这种结构称法布里-波罗腔，其典型的腔长度约300µm，法布里-波罗腔结构被广泛地应用在近代的半导体激光器中。

14. 6-3半导体激光器

15. P Ith I P－I曲线 6-3半导体激光器 三、半导体激光器的特性 • 1）输出特性 当注入电流I<Ith时，激光器的增益小于谐振腔的损耗，无法形成激光振荡，激光器输出荧光。当注入电流I>Ith时，输出光功率随注入电流的增加而迅速增大，产生激光振荡。

16. 6-3半导体激光器 a b c 利用激光器的P-I曲线找到Ith的作法有三种： ① 直线拟合法：输出光功率延长线与电流轴的交点作为激光器的Ith （如图a所示），是一种比较常规的作法； ②两段直线拟合法：将P－I曲线中两条直线延长线交点所对应的电流作为激光器的阈值电流Ith（如图b所示）； ③二次微分法：在P－I曲线中，将光功率对电流求二阶导数，二阶导峰所对应的电流值为Ith，这种作法的测量精度较高（如图c所示）。

17. 禁带宽度的变化又引起波长的变化： 6-3半导体激光器 • 2）波长调谐特性 半导体激光器与其它传统激光器相比，半导体激光器的输出光功率和频率受温度和注入电流的影响显著。因此半导体激光器的波长调谐可采用温度调谐和注入电流调谐。 在半导体中，温度和禁带宽度之间存在着依赖关系 Eg(0)为绝对零度时的禁带宽度 A和B为经验参量

18. 6-3半导体激光器 禁带宽度随温度升高变窄，半导体激光器的波长发生红移。典型的温度调谐曲线如图所示，随着温度的升高，半导体激光器的发射波长以阶梯形式跳跃变化，跳跃是由增益曲线移动引起的纵横之间的跳变引起的。

19. 6-3半导体激光器 • LED、Laser基本特点 • LED、Laser基本结构与特点： • 半导体二极管（pn结） • 单色性好 • LED与Laser区别 • LED：自发辐射，产生非相干光 • Laser：受激辐射，产生相干光 • LED与Laser发光机理： • 正偏pn结电子与空穴复合，释放出光子——辐射复合