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半導(dǎo)體激光器第1頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)第2頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體激光器工作原理
半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流,實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,產(chǎn)生受激輻射,并利用光學(xué)諧振腔的正反饋實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光。
第3頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體激光器工作原理光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光振蕩和光學(xué)諧振腔
第4頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式
自發(fā)輻射——無外界激勵(lì)而高能級(jí)電子自發(fā)躍遷到低能級(jí),同時(shí)釋放出光子。受激輻射——高能級(jí)電子受到外來光作用,被迫躍遷到低能級(jí),同時(shí)釋放出光子,且產(chǎn)生的新光子與外來激勵(lì)光子同頻同方向,為相干光。受激吸收——低能級(jí)電子在外來光作用下吸收光能量而躍遷到高能級(jí)。
第5頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月
E2
E1
E2
E1
hf12
hf12
hf12
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初態(tài)
終態(tài)(b)自發(fā)輻射(c)受激輻射(a)受激吸收能級(jí)與電子躍遷示意圖第6頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布
設(shè)在單位物質(zhì)中低能級(jí)電子數(shù)和高能級(jí)電子數(shù)分別為N1和N2物質(zhì)在正常狀態(tài)下N1>N2,受激吸收與受激輻射的速率分別比例于N1和N2且比例系數(shù)相等,此時(shí)光通過該物質(zhì)時(shí),光強(qiáng)會(huì)衰減,物質(zhì)為吸收物質(zhì)。若N2>N1,受激吸收小于受激輻射,光通過該物質(zhì)時(shí),光強(qiáng)會(huì)放大,該物質(zhì)成為激活物質(zhì)。N2>N1的分布與正常狀態(tài)相反,故稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。第7頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的能帶和電子分布
能量價(jià)帶價(jià)帶EgEfEf/2Ef/2EgEfEeEvEvEeEgEfEeEv(a)本征半導(dǎo)體(b)N型半導(dǎo)體(c)P型半導(dǎo)體空穴電子第8頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月能帶——電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成的連續(xù)分布的能級(jí)。價(jià)帶——能量低的能帶。導(dǎo)帶——能量高的能帶。禁帶Eg——導(dǎo)帶底的能量Ee和價(jià)帶頂能量Ev間的能量差在熱平衡狀態(tài)下,能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布
費(fèi)米能級(jí)——用于描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài),在費(fèi)米能級(jí),被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。在本征半導(dǎo)體中,位于禁帶中央;N型半導(dǎo)體中增大;在P型半導(dǎo)體中減小。第9頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月
PN結(jié)的能帶和電子分布
PN結(jié)空間電場區(qū)P區(qū)N區(qū)++++++Ef能量EePEVPEeNEVNP區(qū)N區(qū)EVPEePEeNEVNEfNEfPhfhf第10頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)界面上由于多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成內(nèi)部空間電場區(qū),該電場導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動(dòng),無外加電壓時(shí),兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài),能帶發(fā)生傾斜。當(dāng)外加正向電壓時(shí),內(nèi)部電場被削弱,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),能帶傾斜減小,在PN結(jié)形成一個(gè)增益區(qū)(粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布區(qū))可產(chǎn)生自發(fā)輻射。第11頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月光學(xué)諧振腔
光學(xué)諧振腔——由兩個(gè)反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成。腔內(nèi)物質(zhì)具備粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,可用其產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作入射光,經(jīng)反射鏡反射沿軸線方向傳播的光被放大,沿非軸線方向傳播的光被減弱,反射光經(jīng)反射鏡多次反射不斷被放大,方向性不斷改善,使增益大幅度提高。第12頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月激光振蕩激活物質(zhì)在被置于光學(xué)諧振腔后,能對光的頻率和方向進(jìn)行選擇,可獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出激光起振閾值條件:腔內(nèi)增益與損耗相當(dāng)時(shí)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩,閾值條件為:是
閾值增益系數(shù);
是諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù);為諧振腔長度激光振蕩的相位條件為:或第13頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)(LH)雙異質(zhì)結(jié)(DH)
第14頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月
雙異質(zhì)結(jié)(DH)LD的結(jié)構(gòu)限制層GayAl1-yAs有源層GaAs限制層GaXAl1-XAsGaAs襯底光輻射金屬接觸第15頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月
雙異質(zhì)結(jié)(DH)LD的工作原理示意圖PGayAl1-yAsPGaAsNGaXAl1-XAsE能量N折射率P光功率電子復(fù)合異質(zhì)勢壘空穴<5%-+(b)(a)(d)(c)第16頁,課件共17頁,創(chuàng)作于2023年2月
雙異質(zhì)結(jié)(DH)LD的工作原理
雙異質(zhì)結(jié)(DH)LD由三層不同類型的半導(dǎo)體材料構(gòu)成,不同材料發(fā)不同的
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