新激光ppt课件第三章典型激光器.ppt

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1、3.5 半导体激光器,以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器。它具有超小型、高效率、低成本、工作速度快和波长范围宽等特点。它是激光光纤通信的重要光源。目前在光存储、激光高速印刷、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面广泛应用。而在光信息处理、光计算机和固体激光器泵浦等方面却正是方兴未艾。自1962年半导体砷化镓（GaAs）同质结激光器问世后，半导体从同质结、单异质结、双 异质结到半导体激光器阵列，波长范围履盖了可见光到长波红外，逐渐地成为现代激光器件中的应用面最广、发展最为迅速的一种重要器件类型。,欲使半导体材料产生激光，就要使半导体材料中电子能态发生变化，以形成一定的粒子数反转，并

2、且要有一个合适的光学共振腔。但是，由于半导体材料中电子运动的特殊性半导体激光器又有着许多不同于气体和固体激光器的特性。,构成半导体激光器的工作物质是半导体晶体。在半导体晶体中，电子的运动状态和单个原子时的情况大不相同，尤其是其外层电子有了明显的变化，即所谓的“共有化运动”。,1能带,一、半导体的能带结构和电子状态,量子力学证明：当N个原子相接近形成晶体时，由于共有化运动，原来单个原子中每一个允许能级要分裂成N个与原来能级很接近的新能级。在实际的晶体中，由于原子数目N非常大，新能级又与原原来能级非常接近，所以两个新能级间距离很小，几乎可把这一段能级看作是连续的。我们便把这N个能级所具有的能量范围

3、称为“能带”。,固体的能带,不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这个间隔范围内电子不能处于稳定状态，实际上形成一个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度 Eg来衡量。如图说明了电子轨道、能级及能带之间的对应关系。,电子轨道,能级,和能带,在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带叫做“价带”如某一能带被电子填满，则称之为“满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带叫做“空带”，若价带中的电子受激而进入空带，则此空带称为“导带”，同时，价带上由于价电子激发到导带后留下一些空着的能级称为“空穴”。,本征半导体的能带,纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能带由一个充满电子

4、的价带和一个完全没有电子的导带组成。,在纯净的、不含杂质的半导体中，由于热运动而产生的自由电子和空穴数量很少。但如果半导体中掺入杂质，情况就不同了。如GaAs（III一V族化合物）中掺入碲（VI族元素），就会在导带下形成杂质能级ED，如图（a）。杂质能级上电子很容易转移至导带上去，这种杂质称为施主。掺施主杂质的半导体称为电子型半导体或N型半导体。而如果我们在GaAs中掺入II族元素如Zn，则会在价带上方形成受主杂质能级，如图(b)。价带上的电子可跑到受主能级上去，从而在价带上产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。,2.半导体类型,半导体的杂质能级,一般低掺杂半导体中，杂质能级是

5、一些位于禁带中的分立能级。但当掺入杂质的浓度很大时，杂质能级也将分裂成为“杂质能带”。杂质浓度愈高，杂质能带就愈宽，甚至出现杂质能带与导带或价带连成一片而形成“带尾”。此时禁带宽度由于带尾而变窄。,3电子和空穴的统计分布,统计物理学指出：满足泡里原理的电子集团，遵循费米一狄拉克统计规律，即在热平衡条件下，一个电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能级E被电子占据的几率为,杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。如图给出了温度极低时的情况。,费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系,二、PN结和粒子数反转,1.P-N结的双简并能带结构,费米能级的位置与杂质类型及

6、掺杂浓度关系,只有一个费米能级,把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？,PN能带,正向电压V时形成的双简并能带结构,在这种非平衡态下，结区的统一费米能级不再存在,形成结区的两个费米能级 和，称为准费米能级，如图。,在P-N结上加以正向电压V时，产生正向电流,即载流子注入.,在作用区内，同时存在大量的导带电子和价带空穴于是形成双简并能带结构.,2.粒子数反转,产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。,激光器在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率为,价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算,价带顶电子占据几率则为,在结区导带底和价带

7、顶实现粒子（电子）数反转的条件是,1.半导体激光器的基本结构,GaAs激光器的结构,三、半导体激光器的工作原理和阈值条件,核心:PN结,解理面:构成谐振腔,2.半导体激光器工作的阈值条件,激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件,增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质,结区电子的寿命,3.半导体激光器的阈值电流,低温下,在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡,例,已知:GaAs激光器,求:阈值电流密度,解:,低温时,与实测接近,室温时,(35)104A/cm2,四、同质结半导体激光器,注入式同质结GaAs激光器

8、是于1962年最早研制成功的半导体激光器，同质结是指pn结由同一种基质材料(如 GaAs)的 p型和N型构成，而注入式是指直接给半导体激光器通电，靠注入电流来激励工作物质的一种泵浦方法。,1.同质结激光器的结构,2粒子数反转分布 粒子数就是载流子数。正常情况下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才填充导带。如果我们能利用光或电注入的办法，使Pn附近形成大量的非平衡载流子，在比其复合寿命更短的时间内电子在导带、空穴在价带分别达到暂时的平衡，则在这一段时间内简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布的状态。,3.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性,伏安特性:与二极管相同，也具有单向导

9、电性。,阈值电流密度:影响阈值的因素很多,晶体的掺杂浓度越大,阈值越小,谐振腔的损耗越小,阈值越小,在一定范围内,腔长越长,阈值越低,此外,温度对阈值也有较大影响,GaAs激光器的伏安特性,方向性:如图为半导体激光束的空间分布示意图。,激光束的空间分布示意图,半导体激光器的谐振腔短小,激光方向性较差.1可达2030;2约为几度.,横模特性：,一般只有条型异质结激光器在一定条件下可实现单横模运转。实际振荡的模式比较复杂,可以由一套模式占主导变化为另一套模式占主导。在实际激光器中经常出现多模振荡。当作用区的厚度较薄,条宽较窄时,在阈值附近容易得到基横模振荡。,光谱特性:如图是GaAs激光器的发射光

10、谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。,GaAs激光器的发射光谱,仍比气、固宽得多,外微分量子效率:,功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比,转换效率:,注入式半导体激光器把电功率直接转换为光功率，转换效率极高。,五、异质结半导体激光器,同质结激光器难以得到低阈值电流和实现室温连续工作。为此,在同质结的基础上发展了异质结半导体激光器,从而大大提高了半导体激光器的实际应用价值。,1.异质结及其特点 如图对于GaAs类半导体激光器,由同种材料GaAs构成的p-n结即为同质结。若一侧为GaAs,而另一侧

11、为GaAlAs所构成的结为“异质结”。若整个半导体激光器仅有一个异质结则称为单异质结(SH)激光器,有两个异质结则为双异质结(DH)激光器。,同质结、异质结结构示意图,2.对异质结两侧的材料的技术要求:,(1)要求两种材料的晶格常数尽可能相等,若在结合的界面处有缺陷,载流子将在界面处复合掉,不能起到有效的注入、放大和发光的作用;,(2)为了获得较高的发光效率,要求GaAlAs材料是竖直跃迁型的;,(3)为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值.,光在半导体晶体中传播时,折射率主要与材料的原子结构和晶格结构有关。,(1)对同一光波,掺杂浓度愈大,GaAs的折射率n愈低;,(2)在GaA

12、lAs材料中,折射率随Al含量x变化。当x=0时,即GaAs的折射率为n=3.59,而x=1时,即GaAlAs的折射率为2.971。由此可见,当GaAs和GaAlAs构成异质结时,界面处将产生折射率突变;,(3)一般折射率随温度升高而增大。,3.GaAs材料中折射率的变化特点,4.单异质结半导体激光器:,激活区厚度,光波导效应,阈值电流密度降低,由于有源区宽度和光波导传输差这两个原因,致使同质结受激发射的阈值电流密度较高,在室温下,脉冲工作的典型阈值电流密度达3X1045X104A/cm2,而异质结(SH)激光器的阈值电流密度降低至约8000A/cm2。,单异质结激光器的Jth虽比同质结小若干

13、倍,但仍d较高,所以常与同质结器件一样用作脉冲器件。这种器件的脉冲功率可达数十瓦,寿命可达数万小时以上.,在单异质器件中,有源区宽度d值是关键因素。如图为SH的Jth-d实验曲线。可见它存在最佳值.这是因为若d值过大,则异质结对载流子的限制作用减弱;d值太小则在非对称波导内光波传输的损耗过大。对于质量好的典型单异质结激光器,d值的范围在22.5um之间。,5.双异质结半导体激光器:,在激活区的两侧有两个异质结。激活区厚度变窄，同时“光波导效应”非常显著，使得光波传输损耗大大减小，结果双异质结激光器的阈值电流密度更低，102103A/cm2.,若使器件形成p-p和p-n两个异质结,激活区为p-G

14、aAs,其厚度d0.5um,则激活区内的非平衡载流子将受到异质结的限制。因此,载流子浓度大为提高,反转粒子数就愈多,从而增益提高.另一方面,双异质结在激活区两侧都有大于5%的折射率变化,光波导的损耗也大为减少。所以,DHL的阈值电流密度Jth低约2个数量级。,室温下可获得几毫瓦几十毫瓦的连续功率输出。,1.可见光半导体激光器,可见光激光二极管(VLD)用于高密度光信息处理系统，如光盘、激光束打印机和条形码读出器，也是塑料光纤通信系统的重要光源。这些应用领域对短波长(60Onm波长区)激光光源的需求日益增长,有力地促进了VLD的研发。目前,在激光准直、指示和激光教学中,半导体可见光二极管激光器将

15、以其方便、可靠、廉价和高效率逐渐代替传统的He-Ne等气体激光器。可见光半导体激光器于1988年开始实用化,它的发展主要是围绕着缩短发射波长和提高输出功率。,相对于传统的近红外半导体激光器,可见光激光器输出 的较短的波长能提供较高的能见度.,六、新型半导体激光器,(1)缩短波长,使用晶向偏离衬底;采用AlGaInP四元有源层;利用量子阱结构。,(2)提高输出功率,异质势垒阻挡结构(HBB).它是利用同型异质结之间的电压差来限制电流。这种结构使VLD达到较低的阈值电流(56mA)和稳定的横模,输出功率可达51mw,在40时可保持2OmW的高功率工作,30mW时实现基横模的稳定振荡。,另一种大功率

16、VLD采用选择性隐埋脊形导结构(SBR),它是有抗反射和高反射涂层的宽有源区InGaAlP的 VLD。在室温下输出100mw时的光波长为670nm。,2.大功率激光二极管阵列 一般单个腔二极管激光器只能发射几十至几百毫瓦光,为提高输出功率发展了二极管阵列激光器。这些阵列中的二极管在电气上并联耦合,发射一致,形成了部分相干光束。近年来由于采用了先进的制作工艺和冷却技术,高功率二极管阵列激光器的发展极快。目前半导体二极管阵列(线阵)连续输出功率已达120W,二极管面阵泵浦的固体激光器平均输出功率超过千瓦,成为激光器发展中最为活跃的领域。阻碍激光二极管大功率化的原因,一是随注入电流产生的结温升,二是

17、端面激射区的高光功率密度引起的突发性光学损伤。解决第一个问题的办法是降低阈值,提高量子效率。实现的途径是采用特殊工艺把有源区厚度控制在几十纳米以内。解决第二个问题的办法是扩大器件的发光区面积,另一个就是采用阵列技术。,常见的线阵激光二极管是由许多平行排列的激光二极管组成。如图为线阵激光二极管的结构。其中的每一个二极管的发光面有大于微米的宽度,二极管之间的中心距为10um,每一线阵由几十至几百个二极管组成.它可工作在连续或在低重频长脉冲的准连续工作状态。,线阵激光二极管,若把多个二极管线阵重叠可组成二维面阵激光器。它取得的输出功率更大,例如由13个线阵激光二极管组成的大面阵,其发射面积为0.4c

18、m2时,其准连续输出功率可达800W.但二极管面阵的发热问题比线阵更严重,一般只工作在较低的重复频率和较低的发射功率下。,为把调制器、开关、波导和光源共同制作在单片上(集成光路)的需要,导致了对不用自解理面来作反射端面的半导体激光器的需要,分布反馈式激光器就是这种需求的产物,除了不用解理端面的优点外,它还能限制纵模,使发射的光谱变窄。,3.分布反馈式(DFB)半导体激光器,在介质表面做成周期性的波纹形状,设波纹的周期为T。根据布拉格衍射原理,一束与界面成角的平面波入射时,它将被波纹所衍射。,原理:,若l是波长的整数倍时,即2Tsin=m时,反射波加强。在介质内前后传播的光波的=90,因而有2T

19、=m/n,n为介质的折射率。因此,这种光栅式的结构完全可以起到一个谐振腔的作用,它所发射的激光频率,完全由光栅的周期T来决定。,由布拉格衍射可知=，入射平面波在界面B、C点反射后,光程差l=BC-AC=2Tsin,DFB剖面及其发射光谱,内腔(本征腔):由管芯前后两个自然解理面构成的谐振腔。外腔:在管芯之外附加反馈元件构成的谐振腔.,4.外腔式半导体激光器,外腔半导体激光器,长外腔,短外腔,Lnl,Lnl,优点是选模线宽可以压得很窄,缺点是结构复杂且稳定性差.,其结构小巧,易于稳定运行,平(凹)面腔,光纤腔,光栅色散腔,依外腔反馈元件不同,还可将外腔分为:平(或凹面腔：若用压电陶瓷改变腔长,便可实现调谐;光纤腔：用一段两端磨平的单模光纤代替反射镜,将光纤连线在压电陶瓷上,光纤端面镀反射膜构成长腔进行选模,调节压电陶瓷上的电压,可以改变光纤长度实现调谐;色散腔：以光栅等色散元件构成外腔,依靠转动光栅角来实现调谐。,