近代物理小論文

1、近代物理半導(dǎo)體激光器的原理及應(yīng)用院（部）：專(zhuān) 業(yè)：班 級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào)：1.半導(dǎo)體激光器的原理及特性1.1基本原理半導(dǎo)體材料多是晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)大量原子規(guī)則而緊密地結(jié)合成晶體時(shí)，晶體中那些價(jià)電子都處在晶體能 帶上。價(jià)電子所處的能帶稱價(jià)帶（對(duì)應(yīng)較低能量）。與價(jià)帶最近的高能帶稱導(dǎo)帶，能帶之間的空域稱為禁 帶。當(dāng)加外電場(chǎng)時(shí)，價(jià)帶中電子躍遷到導(dǎo)帶中去，在導(dǎo)帶中可以自由運(yùn)動(dòng)而起導(dǎo)電作用。同時(shí)，價(jià)帶中失 掉一個(gè)電子，則相當(dāng)于出現(xiàn)一個(gè)帶正電的空穴，這種空穴在外電場(chǎng)的作用下，也能起導(dǎo)電作用。因此，價(jià) 帶中空穴和導(dǎo)帶中的電子都有導(dǎo)電作用，統(tǒng)稱為載流子。摻雜半導(dǎo)體與p-n結(jié)。沒(méi)有雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體， 稱為本征半導(dǎo)體。

2、如果在本征半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)原子，則在導(dǎo)帶之下和價(jià)帶之上形成了雜質(zhì)能級(jí)，分別稱 為施主能級(jí)和受主能級(jí)有施主能級(jí)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體；有受主能級(jí)的半導(dǎo)體稱這p型半導(dǎo)體。在常溫下，熱能使n型 半導(dǎo)體的大部分施主原子被離化，其中電子被激發(fā)到導(dǎo)帶上，成為自由電子。而p型半導(dǎo)體的大部分受主 原子則俘獲了價(jià)帶中的電子，在價(jià)帶中形成空穴。因此，n型半導(dǎo)體主要由導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電；p型半導(dǎo) 體主要由價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電。半導(dǎo)體激光器中所用半導(dǎo)體材料，摻雜濃度較大，n型雜質(zhì)原子數(shù)一般為25X10i8cm-i； p型為1 3X10i9cm-i。在一塊半導(dǎo)體材料中，從?型區(qū)到n型區(qū)突然變化的區(qū)域稱為p-n結(jié)。其交界面處將

3、形成一空間電荷區(qū)。n型 半導(dǎo)體帶中電子要向p區(qū)擴(kuò)散，而p型半導(dǎo)體價(jià)帶中的空穴要向n區(qū)擴(kuò)散。這樣一來(lái)，結(jié)構(gòu)附近的n型區(qū)由于 是施主而帶正電，結(jié)區(qū)附近的p型區(qū)由于是受主而帶負(fù)電。在交界面處形成一個(gè)由n區(qū)指向p區(qū)的電場(chǎng)，稱 為自建電場(chǎng)。此電場(chǎng)會(huì)阻止電子和空穴的繼續(xù)擴(kuò)散。0.0OOO0.0OOO半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)圖半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)圖I11:自建電場(chǎng)的示意圖p-n結(jié)電注入激發(fā)機(jī)理。若在形成了 p-n結(jié)的半導(dǎo)體材料上加上正向偏壓，p區(qū)接正極，n區(qū)接負(fù)極。 顯然，正向電壓的電場(chǎng)與p-n結(jié)的自建電場(chǎng)方向相反，它削弱了自建電場(chǎng)對(duì)晶體中電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙作 用，使n區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下，又源源不斷地

4、通過(guò)p-n結(jié)向p區(qū)擴(kuò)散，在結(jié)區(qū)內(nèi)同時(shí)存在 著大量導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴時(shí)，它們將在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生復(fù)合，當(dāng)導(dǎo)帶中的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)，多余 的能量就以光的形式發(fā)射出來(lái)。這就是半導(dǎo)體場(chǎng)致發(fā)光的 機(jī)理，這種自發(fā)復(fù)合的發(fā)光稱為自發(fā)輻射。要使p-n結(jié)產(chǎn)生激光，必須在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成粒子反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，需使用重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料，要求注入p-n結(jié)的 電流足夠大（如30000A/cm2）。這樣在p-n結(jié)的局部區(qū)域 內(nèi)，就能形成導(dǎo)帶中的電子多于價(jià)帶中空穴數(shù)的反轉(zhuǎn)分布 狀態(tài)，從而產(chǎn)生受激復(fù)合輻射而發(fā)出激光。半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。如圖為結(jié)構(gòu)圖，其外形及大小與小功率半導(dǎo)體三極管差不多，僅在外殼上多一個(gè)激光輸出窗口。夾著結(jié)區(qū)的P區(qū)與

5、n區(qū)做成層狀，結(jié)區(qū)厚為幾十微米，面積約小于1mm2。半導(dǎo)體激光器的光學(xué)諧振腔是利用與p-n結(jié)平面相垂直的自然解理面(110面)構(gòu)成，它有35的反射 率，已足以引起激光振蕩。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化硅，再鍍一層金屬銀膜，可獲得95% 以上的反射率。一旦半導(dǎo)體激光器上加上正向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)就發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而進(jìn)行復(fù)合 1.2半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性激光具有極好的時(shí)間相干性和空間相干性，它與無(wú)線電波相似，易于調(diào)制，且光波的頻率極高，能 傳遞信息的容量很大。加之激光束發(fā)散角小，光能高度集中，既能傳輸較遠(yuǎn)距離，又易于保密。因而為光 信息傳遞提供了一種理想的光源。把欲傳輸?shù)男畔⒓虞d于激光副射的過(guò)程

6、稱為激光調(diào)制，把完成這一過(guò)程的裝置稱為激光調(diào)制器，由 已調(diào)制的激光輻射中還原出所加載信息的過(guò)程則稱為解調(diào)。由于激光起到“攜帶”信息的作用，所以稱其 為載波。通常將欲傳遞的信息稱為調(diào)制信號(hào)。被調(diào)制的激光稱為已調(diào)波或調(diào)制光。激光調(diào)制與無(wú)線電波調(diào)制相類(lèi)似，激光振蕩的瞬時(shí)電場(chǎng)也可表示為：e(t)=Acos(wt+w )式中A為激光振蕩的復(fù)振幅，w為調(diào)制的角頻率，中為調(diào)制的相位角。模擬激光調(diào)制可分為調(diào)幅、調(diào) 頻和調(diào)相等類(lèi)型。按載波的振蕩輸出方式不同又可分為連續(xù)調(diào)制、脈沖調(diào)制和脈沖編碼調(diào)制等。脈沖調(diào)制 主要分為脈沖調(diào)幅(PAM)、脈沖強(qiáng)度調(diào)制(PIM)、脈沖調(diào)頻(PFM)、脈沖調(diào)位(PPM)及脈沖調(diào)寬(P

7、WM) 等類(lèi)型。脈沖編碼調(diào)制(PCM)是先將連續(xù)的模擬信號(hào)通過(guò)抽樣、量化和編碼，轉(zhuǎn)換成一組二進(jìn)制脈沖代 碼，用幅度和寬度相等的矩形脈沖的有、無(wú)來(lái)表示，再將這一系列反映數(shù)字信號(hào)規(guī)律的電脈沖加在一個(gè)調(diào) 制器上以控制激光的輸出。這種調(diào)制形式也稱為數(shù)字強(qiáng)度調(diào)制。1.3半導(dǎo)體激光器的調(diào)制方式半導(dǎo)體激光器的激光調(diào)制分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩類(lèi)。間接調(diào)制是指加載調(diào)制信號(hào)在激光形成以后進(jìn) 行的，即調(diào)制器置于激光諧振腔外，在調(diào)制器上加調(diào)制信號(hào)電壓，使調(diào)制器的某些物理特性發(fā)生相的變化， 當(dāng)激光通過(guò)它時(shí)即得到調(diào)制。直接調(diào)制是指加載的調(diào)制信號(hào)在激光振蕩的過(guò)程中進(jìn)行，以調(diào)制信號(hào)的規(guī)律去改變振蕩的參數(shù)，從 而達(dá)到改變激光輸出特

8、性實(shí)現(xiàn)調(diào)制的目的。由于直接調(diào)制技術(shù)具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，是低速光纖通信中最常采用的調(diào)制方式，但 只適合用于半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管，這是因?yàn)榘l(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器(對(duì)激光器來(lái)說(shuō)，閾值以上 部分)基本上與注入電流成正比，而且電流的變化轉(zhuǎn)換為光頻調(diào)制也呈線性，所以可以通過(guò)改變注入電流 來(lái)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。直接調(diào)制的帶寬：因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器的結(jié)電容特性，并不能理想工作，激光器對(duì)于不 同的輸入頻率，響應(yīng)并不相同，一般頻率越高，輸出的光強(qiáng)調(diào)制振幅越小1. 4半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)由于半導(dǎo)體激光器的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光波長(zhǎng)可調(diào)能量低、壽命較長(zhǎng)、易于調(diào)制以及價(jià)格 低廉等優(yōu)點(diǎn)，使得它已在激光技術(shù)中

9、占有顯赫的地位，它的成功應(yīng)用已遍及電子學(xué)以及激光光譜學(xué)等許多 重要領(lǐng)域。其中VCSEL型半導(dǎo)體激光器,由于單縱模、波長(zhǎng)可連續(xù)調(diào)諧、無(wú)模式跳躍、波長(zhǎng)分布范圍廣等特 點(diǎn),很適合各種氣體的激光光譜學(xué)研究。垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL有如下特點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)二維平面和光電集成：?jiǎn)蝹€(gè)VC2SEL激光器僅幾微米大小，有可能在1cm2的芯片上集成百 萬(wàn)個(gè)這種微型激光器。圓形光束易于實(shí)現(xiàn)與光纖的有效耦合:VCSEL有徑向?qū)ΨQ的高斯近場(chǎng)分布。因而它們更容易耦合到 光纖或光學(xué)器件上芯片生長(zhǎng)后無(wú)須解理、封裝即可進(jìn)行“在片”實(shí)驗(yàn)制作工藝簡(jiǎn)單，制作成本低。在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作。光束發(fā)散角較小，約為5。(5

10、 )有源區(qū)尺寸極小，因而可實(shí)現(xiàn)低閾值電流p區(qū)接正極，n區(qū)接負(fù)極。顯然，正向電壓的電場(chǎng)與p-n結(jié)的自建電場(chǎng)方向相反，它削弱了自建電場(chǎng)對(duì) 晶體中電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，使n區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下，又源源不斷地通過(guò)p-n結(jié)向p 區(qū)擴(kuò)散，在結(jié)區(qū)內(nèi)同時(shí)存在著大量導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴時(shí)，它們將在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生復(fù)合，當(dāng)導(dǎo)帶中 的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)，多余的能量就以光的形式發(fā)射出來(lái)。這就是半導(dǎo)體場(chǎng)致發(fā)光的機(jī)理，這種自發(fā)復(fù)合 的發(fā)光稱為自發(fā)輻射。要使p-n結(jié)產(chǎn)生激光，必須在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成粒子反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，需使用重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料，要求注入 p-n結(jié)的電流足夠大(如30000A/cm2)。這樣在p-n結(jié)的局部

11、區(qū)域內(nèi)，就能形成導(dǎo)帶中的電子多于價(jià)帶中空 穴數(shù)的反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，從而產(chǎn)生受激復(fù)合輻射而發(fā)出激光。半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。如圖為結(jié)構(gòu)圖，其外形及大小與小功率半導(dǎo)體三極管差不多，僅在外殼上多一 個(gè)激光輸出窗口。夾著結(jié)區(qū)的p區(qū)與n區(qū)做成層狀，結(jié)區(qū)厚為幾十微米，面積約小于1mm2。半導(dǎo)體激光器的光學(xué)諧振腔是利用與p-n結(jié)平面相垂直的自然解理面(110面)構(gòu)成，它有35的反射 率，已足以引起激光振蕩。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化硅，再鍍一層金屬銀膜，可獲得5% 以上的反射率。一旦半導(dǎo)體激光器上加上正向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)就發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而進(jìn)行復(fù)合2.2.2半導(dǎo)體 激光器的工作特性半導(dǎo)體激光器的工作特性中，當(dāng)注

12、入p-n結(jié)的電流較低時(shí)，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益 也增大，達(dá)閾值電流時(shí)，p-n結(jié)產(chǎn)生激光。影響閾值的幾個(gè)因素有：晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。溫度愈高， 閾值越高。由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達(dá)20 -30； 在結(jié)的水平面內(nèi)約為10。左右。2半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用2.1半導(dǎo)體激光器在激光光譜學(xué)中的應(yīng)用激光光譜具有廣泛的應(yīng)用范圍，如從分子光譜、等離子物理、高階諧波產(chǎn)生的科學(xué)應(yīng)用到大氣污染的 監(jiān)測(cè)及癌癥的診斷等。半導(dǎo)體激光器在激光光譜學(xué)中有較多優(yōu)勢(shì)，用于激光光譜學(xué)的半導(dǎo)體

13、激光器有一個(gè) 重要的特點(diǎn)就是可協(xié)調(diào)性。其波長(zhǎng)可通過(guò)改變溫度或改變驅(qū)動(dòng)電流來(lái)調(diào)諧。另外高靈敏度，高選擇性可以 減少譜線重疊，增加選擇性。半導(dǎo)體激光器還可用調(diào)制技術(shù)夠減少激光的過(guò)量噪聲。例如下圖即為 “SPECDILASV763OXYVCSEL所探測(cè)的02吸收光譜(半導(dǎo)體激光器的工作溫度Top=10C,Iset=4.6mA,加 32Hz,10.6mV的鋸齒波,256次平均)。VCSEL激光器的波長(zhǎng)范圍為1.32m,可調(diào)諧波長(zhǎng)范圍為3nm,主要用于光纖通信技術(shù)氣體監(jiān)測(cè)。由于 VCSEL激光器和DFB激光器能夠?qū)崿F(xiàn)單縱模特性，因此它們常應(yīng)用在激光光譜學(xué)中尤其是氣體的測(cè)量中。 2.2大功率半導(dǎo)體激光器的

14、軍事應(yīng)用隨著激光技術(shù)的日趨成熟和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展。由于半導(dǎo)體激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、壽命較 長(zhǎng)易于調(diào)制及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)使得半導(dǎo)體激光器在在軍事中得到廣泛應(yīng)用，如激光制導(dǎo)跟蹤便是從制導(dǎo)站 的激光發(fā)射系統(tǒng)按一定規(guī)律向空間發(fā)射經(jīng)編碼調(diào)制的激光束，且光束中心線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)；在波束中飛行的導(dǎo) 彈，當(dāng)其位置偏離波束中心時(shí)，裝在導(dǎo)彈尾部的激光接收器探到激光信號(hào)，經(jīng)信息處理后，彈上解算裝置計(jì) 算出彈體偏離中心線的大小和方向，形成控制信號(hào);再通過(guò)自動(dòng)駕駛儀操縱導(dǎo)彈相應(yīng)的機(jī)構(gòu),使其沿著波束 中心飛行，直至摧毀目標(biāo)為止。半導(dǎo)體激光引信是一種光學(xué)引信屬主動(dòng)式近炸引信的技術(shù)范疇。激光引信 通過(guò)激光對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，對(duì)激

15、光回波信息進(jìn)行處理和計(jì)算，判斷出目標(biāo)，計(jì)算出炸點(diǎn)，在最佳位置適時(shí)引 爆。炸彈一旦未捕獲或丟失目標(biāo)以及引信失靈后，自炸機(jī)構(gòu)可以引爆彈丸自毀。半導(dǎo)體激光引信是激光探 測(cè)技術(shù)在武器系統(tǒng)中最成功的應(yīng)用。測(cè)距儀采用半導(dǎo)體激光器作光源具有隱蔽性略加改進(jìn)，還可測(cè)量車(chē)輛 之間的距離并進(jìn)行數(shù)字顯示,在低于所需安全系數(shù)時(shí)發(fā)出警報(bào)。激光模擬主要是以半導(dǎo)體激光為基礎(chǔ)發(fā)展 起來(lái)的新型軍訓(xùn)和演習(xí)技術(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)激光射束、周期和范圍以達(dá)到模擬任何武器特征的目的。武器模擬 主要使用904nm半導(dǎo)體激光器，用對(duì)眼睛安全的激光器作為戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ)，最初稱為激光交戰(zhàn)統(tǒng) (LES)。目前，全世界有美、英、瑞(典)三國(guó)出售MILES

16、II/SAWE系統(tǒng);北約國(guó)家、以色列、阿根廷、俄羅斯、 中國(guó)都在開(kāi)發(fā)這種系統(tǒng)。另外軍用光纖陀螺是軍用光纖領(lǐng)域中用途最廣，是目標(biāo)監(jiān)測(cè)和測(cè)量方面不可缺少 的技術(shù)手段。由光纖繞成環(huán)形光路，采用Sagnac干涉原理，檢測(cè)出隨轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的兩路激光束的相位差，由此 得出轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。其主要優(yōu)點(diǎn)是:無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，儀器牢固，耐沖擊,抗加速運(yùn)動(dòng);機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉;啟動(dòng) 時(shí)間極短(原理上可瞬時(shí)啟動(dòng))；靈敏度高可達(dá)10-7rad/s;動(dòng)態(tài)范圍極寬(約為2000度/秒)；壽命長(zhǎng)等。在軍 用民用光纖通信、光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈、制導(dǎo)魚(yú)類(lèi)等方面廣泛應(yīng)用。2.3半導(dǎo)體激光器在數(shù)字通信中的應(yīng)用我們稱現(xiàn)代社會(huì)為信息社會(huì)，半導(dǎo)體激光器在信息

17、的獲取，傳輸，存儲(chǔ)和處理以及顯示中已得到廣泛 應(yīng)用。在數(shù)字通信市場(chǎng)，波長(zhǎng)為950 1550nm的半導(dǎo)體激光器應(yīng)用廣闊。由于受發(fā)達(dá)國(guó)家的音頻和數(shù)字通信 發(fā)展以及東南亞、拉丁美洲等發(fā)展中國(guó)家新興工業(yè)區(qū)加速發(fā)展通信基礎(chǔ)設(shè)施的影響光纖通信獲得了發(fā)展。 該領(lǐng)域應(yīng)用的半導(dǎo)體激光器銷(xiāo)售額一直高居首位。生產(chǎn)廠家?guī)缀跫杏谌毡?、北美，在歐洲也有生產(chǎn)。在 今后幾年中，日本、北美和德國(guó)等將發(fā)展直接至用戶的光纖網(wǎng)絡(luò),這會(huì)使半導(dǎo)體激光器的需求量更大，對(duì)此 類(lèi)激光器要求價(jià)格十分低廉、傳輸速率中等、可在-40一+80 r環(huán)境中工作。鑒于通信事業(yè)發(fā)展方興未艾， 這類(lèi)應(yīng)用的激光器市場(chǎng)將繼續(xù)有較大的增長(zhǎng)。由于光纖通信具有損耗低、容量大、速率高、抗干擾、保密 性強(qiáng)、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn),加之信息爆炸、多媒體通信及全球網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展光纖迅速成為信息社會(huì)的寵 兒。光半導(dǎo)體激光器作為光纖通信系統(tǒng)中的光源是關(guān)鍵元件是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分,短距離的光纖通信用 單模光纖和130 150nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器，空間通信用列陣半導(dǎo)體激光器。所以全球光纖通信市場(chǎng)前景 廣闊，多信道密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)對(duì)經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量有無(wú)可取代的作用