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半導體雷射器發光原理及工作原理

半導體雷射器又稱鐳射二極體,是用半導體材料作為工作物質的雷射器。它具有體積小、壽命長的特點,並可採用簡單的注入電流的方式來泵浦其工作電壓和電流與積體電路相容,因而可與之單片集成。

由於這些優點,半導體二極體雷射器在鐳射通信、光存儲、光陀螺、鐳射列印、測距以及雷達等方面以及獲得了廣泛的應用。

半導體雷射器特性

半導體雷射器是以半導體材料為工作物質的一類雷射器件。它誕生於1962年,除了具有雷射器的共同特點外,還具有以下優點:

(1) 體積小,重量輕;

(2) 驅動功率和電流較低;

(3) 效率高、工作壽命長;

(4) 可直接電調製;

(5) 易於與各種光電子器件實現光電子集成;

(6) 與半導體製造技術相容;可大批量生產。

由於這些特點,半導體雷射器自問世以來得到了世界各國的廣泛關注與研究。成為世界上發展最快、應用最廣泛、最早走出實驗室實現商用化且產值最大的一類雷射器。

半導體雷射器工作原理

半導體雷射器工作原理是激勵方式,利用半導體物質(即利用電子)在能帶間躍遷發光,用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡,組成諧振腔,使光振盪、回饋,產生光的輻射放大,輸出鐳射。

半導體雷射器是依靠注入載流子工作的,發射鐳射必須具備三個基本條件:

(1)要產生足夠的 粒子數反轉分佈,即高能態粒子數足夠的大於處於低能態的粒子數;

(2)有一個合適的諧振腔能夠起到回饋作用,使受激輻射光子增生,從而產生鐳射震盪;

(3)要滿足一定的閥值條件,以使光子增益等於或大於光子的損耗。
 

雷射器的發光原理

產生鐳射要滿足以下條件:

一、粒子數反轉;

二、要有諧振腔,能起到光回饋作用,形成鐳射振盪;形成形式多樣,最簡單的是法布裏——帕羅諧振腔。

三、產生鐳射還必須滿足閾值條件,也就是增益要大於總的損耗。

(1)滿足一定的閥值條件。

為了形成穩定振盪,鐳射媒質必須能提供足夠大的增益,以彌補諧振腔引起的光損耗及從腔面的鐳射輸出等引起的損耗,不斷增加腔內的光場。這就必須要有足夠強的電流注人,即有足夠的粒子數反轉,粒子數反轉程度越高,得到的增益就越大,即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當雷射器達到閥值時,具有特定波長的光就能在腔內諧振並被放大,最後形成鐳射而連續地輸出。

(2)諧振腔,能起到光回饋作用,形成鐳射振盪。

要實際獲得相干受激輻射,必須使受激輻射在光學諧振腔內得到多次回饋而形成鐳射振盪,雷射器的諧振腔是由半導體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的,通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質膜,而出光面鍍上減反膜。

對F-P腔(法布裏—拍羅腔)半導體雷射器可以很方便地利用晶體的與P-N結平面相垂直的自然解理面構成F-P 腔。

(3)增益條件:

建立起激射媒質(有源區)內載流子的反轉分佈。在半導體中代表電子能量的是由一系列接近於連續的能級所組成的能帶,因此在半導體中要實現粒子數反轉,必須在兩個能帶區域之間,處在高能態導帶底的電子數比處在低能態價帶頂的空穴數大很多,這靠給同質結或異質結加正向偏壓,向有源層內注人必要的載流子來實現,將電子從能量較低的價帶激發到能量較高的導帶中去。當處於粒子數反轉狀態的大量電子與空穴複合時,便產生受激發射作用。

 

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