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雷射的三要素. 雷射介質 : 所謂雷射介質是指介質受激發後能生粒子數分布反轉的現象。它們均有下列同特點：即激發至高雷射能階的機會相當大，停留在該能階的時間長和低雷射能階的生命期短等。 激發裝置 : 是指將某種型式之能量加入雷射介質，使其激發至高能階的數目大增，並產生粒子數分布反轉的裝置。
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雷射的三要素 • 雷射介質:所謂雷射介質是指介質受激發後能生粒子數分布反轉的現象。它們均有下列同特點：即激發至高雷射能階的機會相當大，停留在該能階的時間長和低雷射能階的生命期短等。 • 激發裝置:是指將某種型式之能量加入雷射介質，使其激發至高能階的數目大增，並產生粒子數分布反轉的裝置。 • 光學腔:即在介質兩端和加同光軸的反射鏡，稱為光學腔，其中一為全反射鏡，另一片為部分穿透鏡，當光子在光軸方向往返穿梭不斷撞擊激發原子，不斷放大，以致於激發輻射光遠大於自發輻射光。當激發至某一程度時，光子放大的因素大於撰失的因素(如部分穿透損失、鏡片吸收、繞射損失、介質散射損失等)，此時方有雷射輸出。
雷射光的特性 • 同調性:若將兩個波重疊而能相吻合，則稱此兩個波為同調，也就是兩個波具相同相位差。 • 單色性：單色性的習稱方式有二個層次： 單一波長：眼睛不可分辨的情況，實際上仍然有許多波長，亦即其頻寬較大，通常使用稜鏡來選擇單一波長的輸出。 單一頻率：在單一波長中再選定一個波長，得到更窄的頻寬，通常使用固定式的Fabry-Perot 干涉儀(Etlon)來選擇單一頻率的輸出。 • 方向性、光束平行性：最著名的例子即是以雷射由地球射到月球以求兩者之間的距離。 • 高強度：因此雷射可以用來加工。
導電帶 導電帶 導電帶 價電帶 價電帶 價電帶 導電帶 導電帶 導電帶 價電帶 價電帶 價電帶 吸收 自發放射 誘發放射 半導體雷射輻射原理 三種輻射與物質交互作用的形態
能量 能量 E2 E2 EI EI N1，N 2 粒子數 N1，N 2 粒子數 (a)熱平衡時的分布 (b)反轉分布 圖1.4 二能階系統的粒子數分布 雷射主動介質 • 量測用之雷射依其活性工作介質之種類可分為： 固體雷射、氣體雷射、半導體雷射 。 • 活性介質可以是封閉型的，密封在雷射共振腔內，也可以是採開放迴路型的。 • 提供巨量反轉：
光學共振腔 • 共振腔是由兩片鏡片所構成的，前面的鏡片是部份反射鏡片，而後面的鏡片是全反射鏡片。 • 不同的雷射其雷射共振腔具有不同的特殊光學安排 • 共振腔內雷射光去和回來的波會形成共振，因此可以視同駐波的效應，而駐波所激發的光子相位又與其相同，因此會越激發越多同相位的光子，亦即只有造成駐波的光波才能在雷射共振腔內得到增益。 • 雷射光束能量分佈 ：高斯分佈 • 滿足 • 對任一位置z，電場之振幅為 ，是一種 Gaussian 函數，隨距離光軸r而衰減。
Fabry-Perot laser diode • 兩個左右平行面與PN接面垂直方向切開後磨光，正面及背面則保持粗糙 • 上下面則有金屬的歐姆接觸以便加壓注入電流 • 磨光表面有鏡子作用以形成正回饋光增益，粗糙的兩面無法射出光線
Semiconductor laser structure • P-N junction laser • Heterojuction laser • DH laser
Laser mode Strip laser Mode confined laser
detector preamplifier Amplifier/averager Far field pattern • Laser diode is mounted on a rotating stage. • The angular dependence is recorded.
L-I curve • I< Ith spontaneous emission • Wide linewidth • Similar to LED • I= Ith gain>loss start lasing • Mode distribution change • I> Ith stimulated emission • Narrow linewidth • Modulation range
25℃ P (mW) 45℃ 70℃ I (mA) L-I curve • Temperature, then Ith. • Temperature , then slope efficiency. • Kink---mode hopping
Gain coefficient Amplifier gain • ()=N0 [2/(8tsp)] g() Lineshape function Gain coefficient 高低能階粒子數差 • Lineshape function: • Solve S.E. • Gain coefficient:為半導體材質造成的增益！ o Semiconductor optical amplifier
HR layer Active region Cavity length height width Fabry-Perot laser diode—optical oscillator cavity • Fabry-Perot resonator---parallel front and rear surface. • Cleaving the crystal along LD crystalline planes. • R~33%(nInGaAsP=3.71) • Mode spacing=c/2L Height:0.1~0.2mm Length:250~500mm Width:5~15mm Sides:rough cut Front:cleaved HR layer:~90%
Gain coefficient Amplifier gain Gain profile c/2L o c/2L o Lasing modes o Resonance cavity modes FP LD---spectral distribution
1568 1566 A3 1580 A5 Wavelength(nm) 1564 C1 A3 1575 C3 1562 A5 C1 C5 C3 1560 1570 D4 C5 D4 1558 1565 1556 1560 wavelength(nm) 1554 1555 1552 1550 1550 1545 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 0 20 40 60 80 100 120 Temperature(℃) current(mA) FP LD---spectral distribution • Central wavelength • FWHM • Mode spacing
=q/2 Guiding layer Active layer Distributed feedback laser(DFB laser) • 在active layer邊長出corrugated waveguide. • 在兩端作AR coating，減少平面反射。 • Spectral linewidth~10MHz • =q/2 • SMSR p p p n
E d1 z bulk Eg1 Eg2 x x Density of states Quantum well laser • Double hetero-junction structure consisting of an ultra thin layer(<=50nm) of semiconductor material. • Quantum well • Layer thickness <de broglie (50nm)energy state quantizeddensity of states quantized • Electrons accumulate in conduction band well, and holes in valence band well.
Peak gain coefficient QW laser 2m Bulk DH m JT1 JT2 Current density J Quantum well laser • Gain of QW laser • Better performance than bulk laser • Advantages • low threshold current • Narrower spectrum of gain coefficient • Smaller linewidth • Higher modulation frequency • Reduced temperature dependence • MQW laser is superior than SQW laser at high current density.
