半導(dǎo)體激光器工作原理及基本結(jié)構(gòu) - 副本 - 副本

1、半導(dǎo)體、固體激光器半導(dǎo)體、固體激光器n工作原理及基本結(jié)構(gòu)n器件分類（主要參數(shù)）n應(yīng)用半導(dǎo)體激光器工作原理及結(jié)構(gòu)n半導(dǎo)體激光器按泵浦方式不同，可以分為注入式激光器、光泵激光器和電子束泵浦激光器。其中注入式激光器是利用同質(zhì)結(jié)構(gòu)或異質(zhì)結(jié)將大量的過剩載流子(電子一空穴對)注入激活區(qū)以形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)。這類激光器由于容易實(shí)現(xiàn)電流直接調(diào)制輸出，因此它是目前使用最為廣泛的一種半導(dǎo)體激光器，所以接下來我們來著重介紹一下注入式半導(dǎo)體激光器的工作原理。半導(dǎo)體激光器工作原理及結(jié)構(gòu)n注入式半導(dǎo)體激光器 是一種在電流注入下能夠發(fā)出相干輻射光（相位相同、波長基本相同、強(qiáng)度較大）的光電子器件。 半導(dǎo)體激光器工作原理n工作三要

2、素： 受激光輻射、諧振腔、增益大于等于損耗。自發(fā)光輻射和受激光輻射n自發(fā)光輻射（發(fā)光二極管） 當(dāng)給器件加正向偏壓時(shí)，n區(qū)向p區(qū)注入電子，p區(qū)向n區(qū)注入空穴，在激活區(qū)電子和空穴自發(fā)地復(fù)合形成電子-空穴對，將多余的能量以光子的形式釋放出來，所發(fā)射的光子相位和方向各不相同，這種輻射叫做自發(fā)輻射。n受激光輻射（半導(dǎo)體激光器） 在材料設(shè)計(jì)時(shí)，考慮將p區(qū)和n區(qū)重?fù)诫s等工藝，使得輻射光嚴(yán)格在pn結(jié)平面內(nèi)傳播，單色性較好，強(qiáng)度也較大，這種光輻射叫做受激光輻射。法布里-珀羅諧振腔 (形成相干光)n垂直于結(jié)面的兩個(gè)平行的晶體解理面形成法布里-珀羅諧振腔 ，兩個(gè)解理面是諧振腔的反射鏡面。在兩個(gè)端面上分別鍍上高反膜和

3、增透膜，可以提高激射效率。n一定波長的受激光輻射在諧振腔內(nèi)形成振蕩的條件: 腔長=半波長的整數(shù)倍 L=m(/2n)增益和閾值電流n增益：在注入電流的作用下，激活區(qū)受激輻射不斷增強(qiáng)。n損耗：受激輻射在諧振腔中來回反射時(shí)的能量損耗。包括載流子吸收、缺陷散射及端面透射損耗等。n閾值電流：增益等于損耗時(shí)的注入電流。半導(dǎo)體激光器的分類（材料和波長）n可見光： GaAs襯底 InGaN/ GaAs 480490nm 藍(lán)綠光 InGaAlP/GaAs 630680nm AlGaAs/GaAs 720760nmn近紅外長波長： GaAs襯底 AlGaAs/GaAs 760900nm InGaAs/GaAs 9

4、80nmn遠(yuǎn)紅外長波長： InP襯底 nInGaAsP/InP 1.3um 1.48um 1.55umn輸出激光可以是連續(xù)的(CW)、準(zhǔn)連續(xù)(QCW)的和脈沖(Pulse)的。半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用n隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前半導(dǎo)體激光器的功率可以達(dá)到很高的水平，而且光束質(zhì)量也有很大提高，因此半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，不僅可以作為光纖通信的光源和指示器，以及通過大規(guī)模集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng);目前已經(jīng)擴(kuò)展到下列應(yīng)用范圍:固體激光器的泵浦、打印、激光醫(yī)學(xué)治療和衛(wèi)星通訊等。由于半導(dǎo)體激光器可以通過改變磁場或調(diào)節(jié)電流(熱效應(yīng))實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧，且已經(jīng)可以獲得線寬很窄的激光輸出，因此利用半導(dǎo)體激光器

5、可以進(jìn)行高分辨光譜研究。此外，現(xiàn)在波長633635nm的半導(dǎo)體激光器的品種不少，有的質(zhì)量很好，有可能代替現(xiàn)有的He-Ne激光器，它可以與打印機(jī)、復(fù)印機(jī)的光導(dǎo)數(shù)的光譜性能更好地匹配，從而促進(jìn)激光打印機(jī)和靜電復(fù)印機(jī)的發(fā)展，如果采用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，進(jìn)一步改善激光器的光束質(zhì)量，也有可能使半導(dǎo)體激光器進(jìn)入精密計(jì)量測試。例如用半導(dǎo)體激光器構(gòu)成激光干涉儀，例用它的頻率調(diào)制特性，可以不用異軌也不數(shù)大量干涉條紋就能測量出光程差，從而可以求出幾何長度?？傊?，半導(dǎo)體激光器隨著它本身質(zhì)量和性能指標(biāo)提高，它的應(yīng)用前景必然是越來越廣闊。半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用在軍事上的應(yīng)用： 1. 激光引信。半導(dǎo)體激光器是唯一能夠用于彈上引信

6、的激光器。激光近炸引信能夠準(zhǔn)確的確定起爆點(diǎn)，并有很好的電磁干擾能力，已在多種導(dǎo)彈和炸彈上使用； 2. 激光制導(dǎo)。它使導(dǎo)彈在激光射束中飛行直至摧毀目標(biāo)； 3. 激光測距。主要用于反坦克武器以及航空、航天等領(lǐng)域； 4. 激光雷達(dá)。高功率半導(dǎo)體激光器已用于激光雷達(dá)系統(tǒng)。小型激光雷達(dá)已用于常規(guī)兵器的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和瞄準(zhǔn)修正系統(tǒng)、機(jī)器人視覺系統(tǒng)和自主飛行器控制系統(tǒng)。 5. 激光模擬。這是半導(dǎo)體激光器用于軍事訓(xùn)練和學(xué)習(xí)的技術(shù)，通過調(diào)節(jié)射束的方位來模擬任何武器特征的目的，已經(jīng)成功的模擬了步槍、火炮等。半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用在產(chǎn)業(yè)技術(shù)上的應(yīng)用： 1. 光纖通信。光纖通信已經(jīng)成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。半導(dǎo)體激光器是光纖

7、通信系統(tǒng)的唯一實(shí)用化的光源； 2. 光盤存取。半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于光盤存儲(chǔ)器，其最大優(yōu)點(diǎn)就是存儲(chǔ)信息量很大。采用藍(lán)、綠激光能夠大大提高光盤存儲(chǔ)密度； 3. 光譜分析。遠(yuǎn)紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于環(huán)境氣體分析，監(jiān)測大氣污染、汽車尾氣等； 4. 光信息處理。半導(dǎo)體激光器已用于光信息處理系統(tǒng)。表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，二維列陣是光并行處理系統(tǒng)的理想光源，可用于光計(jì)算和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 5. 激光微細(xì)加工。借助于Q開關(guān)產(chǎn)生的高能量超短光脈沖，對集成電路進(jìn)行切割、打孔等。 半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用在產(chǎn)業(yè)技術(shù)上的應(yīng)用： 6. 激光報(bào)警器。半導(dǎo)體光報(bào)警器的用途甚廣，包括防盜竊報(bào)警、水位報(bào)警、車距報(bào)警等； 7. 激光打

8、印機(jī)。高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于激光燈打印機(jī)，采用藍(lán)、綠激光能夠大大提高打印速度和分辨率； 8. 激光條碼掃描器。激光條碼掃描器已廣泛用于商品的銷售以及圖書和檔案的管理。 半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用在醫(yī)療和生命科學(xué)研究方面應(yīng)用： 1. 激光手術(shù)治療。半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于軟組織切除，組織接合、凝固和氣化。普通外科、整形外科、皮膚科、泌尿科、婦產(chǎn)科等； 2. 激光動(dòng)力學(xué)治療。將對腫瘤有親合性的光敏物質(zhì)有選擇的聚集于癌組織內(nèi)，通過半導(dǎo)體激光照射使癌組織產(chǎn)生活性氧，旨在使其壞死而對健康組織毫無損害； 3. 生命科學(xué)研究。使用半導(dǎo)體激光的“光鑷”，可以捕捉活細(xì)胞或染色體并移至任意位置，已經(jīng)用于促進(jìn)細(xì)胞合成、細(xì)胞相

9、互作用等研究。固體激光器基本原理及基本結(jié)構(gòu)n在固體激光器中，由泵浦系統(tǒng)輻射的光能，經(jīng)過聚焦腔，使在固體工作物質(zhì)（即在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子）中的激活粒子能夠有效的吸收光能，讓工作物質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通過諧振腔，從而輸出激光。n如圖所示，固體激光器的基本結(jié)構(gòu)（有部分結(jié)構(gòu)沒有畫出）。固體激光器主要由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、聚光系統(tǒng)、光學(xué)諧振腔及冷卻與濾光系統(tǒng)等五個(gè)部分組成。固體激光器基本原理及基本結(jié)構(gòu)n 聚光腔是使光源發(fā)出的光都會(huì)聚于工作物質(zhì) 上。工作物質(zhì)吸收足夠大的光能，激發(fā)大量的粒子，促成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)增益大于諧振腔內(nèi)的損耗時(shí)產(chǎn)生腔內(nèi)振蕩并由部分反射鏡一端輸出一束激光。工

10、作物質(zhì)有兩條主要作用：一是產(chǎn)生光；二是作為介質(zhì)傳播光束。固體激光器的分類（工作物質(zhì)和輸出波長）n1.可調(diào)諧近紅外固體激光器 1988年，Petricev等發(fā)現(xiàn)4價(jià)鉻（Cr可摻合到4配價(jià)的Mg2SiO4四方晶格中）Cr Mg2SiO4稱之為鎂橄欖石。鎂橄欖石通常被Nd YA G激光器泵浦，并且可調(diào)諧在1,1301,367nm之間，以鎖模方式輸出幾瓦的功率。Cr YA G也是不主動(dòng)Q開關(guān)含釹激光器的良好介質(zhì)。Cr LiSA F1988年由Livemor實(shí)驗(yàn)室研制成功，主要用于超短脈沖的發(fā)生和放大，具有從780nm990nm可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)，并有較好的熱力學(xué)性質(zhì)。為材料處理、組織消融、化學(xué)和生物過程的快

11、速研究提供了重要的手段。Cr LiSA F也可通過腔內(nèi)倍頻藍(lán)光輸出和Q開關(guān)用于遙感水蒸汽的檢測。n2.可調(diào)諧紫外Ce3+激光器 Ce LiSA F由于其特有性質(zhì)，基本的激光物理性質(zhì)類似于染料激光器?？杀粋?cè)面泵浦和端面泵浦，波長在280320nm之間，可調(diào)諧平均功率100mW。n3.可調(diào)諧中紅外Cr2+激光器 室溫條件下，可調(diào)諧中紅外固體激光器的發(fā)射，由于工作波長較長和頻帶較寬，導(dǎo)致了非輻射延遲的增加(將泵浦光轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔皇羌す廨椛?Cr2+ ZnSe激光器首先獲得了室溫下的可調(diào)諧中紅外激光發(fā)射，并未受到非輻射延遲的晦氣影響。這種材料的吸收和發(fā)射光譜顯示可用1800nm二極管泵浦提供2,200

12、3,000nm之間的可調(diào)諧發(fā)射波長。n4.鐿（Yb）激光器 由于Yb YA G晶體具有非常低的熱載荷（大約是Nd YA G晶體的1/3）用943nmInGaA 二極管端面泵浦就可得到大于150W功率。另外摻鐿的氟磷Sr5PO43FYb S-FA P用900nm激光二極管泵浦可以產(chǎn)生1,047nm激光，輸出功率50W。n5.摻鈦藍(lán)寶石激光器 摻鈦藍(lán)寶石激光器是以TiA l2O3晶體為激光介質(zhì)的激光器(簡稱Ti S激光器)具有調(diào)諧范圍寬、輸出功率大、轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)方式多樣等特點(diǎn)。固體激光器的應(yīng)用n固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛的用途。它常用于測距、跟蹤、制導(dǎo)、打孔、切割和焊接、

13、半導(dǎo)體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測、光譜研究、外科和眼科手術(shù)、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面 。固體激光器還用作可調(diào)諧染料激光器的激勵(lì)源。n固體激光器的發(fā)展趨勢是材料和器件的多樣化，包括尋求新波長和工作波長可調(diào)諧的新工作物質(zhì)，提高激光器的轉(zhuǎn)換效率，增大輸出功率，改善光束質(zhì)量，壓縮脈沖寬度，提高可靠性和延長工作壽命等。半導(dǎo)體激光器與固體激光器的比較n半導(dǎo)體激光器和固體激光器都是以固體激光材料作為工作物質(zhì)的激光器 ；n半導(dǎo)體激光器是電激勵(lì)，直接把電能轉(zhuǎn)化為光能，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50%以上。固體激光器是光激勵(lì)，激活粒子需要吸收光能，然后產(chǎn)生受激振蕩；半導(dǎo)體泵浦轉(zhuǎn)化效率一般在15%左

14、右，燈泵浦激勵(lì)一般在4%左右。n半導(dǎo)體激光器的主要特點(diǎn)是:體積小、重量輕；功率轉(zhuǎn)換效率高；可以通過改變溫度、摻雜量、磁場、壓力等實(shí)現(xiàn)調(diào)諧；其缺點(diǎn)是激光的發(fā)散角較大，單色性較差，輸出功率亦較小?，F(xiàn)在新型的半導(dǎo)體激光器已經(jīng)可以達(dá)到較大的輸出功率，而為了得到更大的輸出功率，通?？梢詫⒃S多單個(gè)半導(dǎo)體激光器組合在一起形成半導(dǎo)體激光器列陣，即在同一片已做好的P一N結(jié)的基片上，用光刻腐蝕方法分成好幾個(gè)單個(gè)器件，或?qū)⒃S多單個(gè)激光器排列成一定形狀，然后將它們并聯(lián)或串聯(lián)起來。目前已有100WQCW線陣和s000WQCW疊陣(波長780815五m)的產(chǎn)品上市。n固體激光器可作大能量和高功率相干光源。紅寶石脈沖固體激光器的輸出能量可達(dá)千焦耳級。經(jīng)調(diào)