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半导体激光器根本学问解析

日期:[2019-07-11] 浏览:[次]

  半导体激光器的常用参数可分为:波长、阈值电流Ith 、工做电流Iop 、垂曲发散角θ⊥、程度发散角θ∥、电流Im。

  一般所用的半导体材料有两大类,间接带隙材料和间接带隙材料,此中间接带隙半导体材料如GaAs(砷化镓)比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率,发光效率也高得多。

  (2)阈值电流Ith :即激光管起头发生激光振荡的电流,对一般小功率激光管而言,其值约正在数十毫安,具有应变多量子阱布局的激光管阈值电流可低至10mA以下。

  laser diode是以半导体材料为工做物质的一类激光器件。除了具有激光器的配合特点外,还具有以下长处:

  半导体激光器又称激光二极管,是用半导体材料做为工做物质的激光器。因为物质布局上的差别,分歧品种发生激光的具体过程比力特殊。常用工做物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励体例有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件,可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器正在室温时多为脉冲器件,而双异质结激光器室温时可实现持续工做。

  (3)工做电流Iop :即激光管达到额定输出功率时的驱动电流,此值对于设想调试激光驱动电较主要。

  光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)唱工做物质,以其他激光器发出的激光做光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)唱工做物质,通过由外部注入高能电子束进行激励。正在半导体激光器件中,机能较好,使用较广的是具有双异质布局的电注入式GaAs二极管激光器。

  激光器的腔体能够有谐振腔和外腔之分。正在谐振腔里,激光器的损耗有良多品种,好比偏折损耗,法布里珀罗谐振腔就有较大偏折损耗,而共焦腔的偏折损耗较小,适合于小功率持续输出激光,还好比反转粒子的无辐射跃迁损耗(这类损耗能够归为白噪声)等等之类的,都是腔长长损耗大。激光器阈值电流不外就是能让激光器起振的电流,谐振腔长短的分歧能够使得阈值电流有所分歧,半导体激光器中,像边发射激光器腔长较长,阈值电流相对较大,而垂曲腔面发射激光器腔长极短,阈值电流就很是低了。这些都不是一两句话能够说的清晰的,它们各自的速度方程也都分歧,不是一两个式子能注释的。别的谐振腔长度分歧也能够达到选模的感化,即输出激光的频次分歧。

  半导体激光器工做道理是激励体例,操纵半导体物质(即操纵电子)正在能带间跃迁发光,用半导体晶体的解理面构成两个平行反射镜面做为反射镜,构成谐振腔,使光振荡、反馈,发生光的辐射放大,输出激光。

  (5)程度发散角θ∥:激光二极管的发光带正在取PN结平行标的目的所张开的角度,一般正在6?~ 10?摆布。

  按照固体的能带理论,半导体材猜中电子的能级构成能带。高能量的为导带,低能量的为价带,两带被禁带分隔。引入半导体的非均衡电子-空穴对复应时,把的能量以发光形式辐射出去,这就是载流子的复合发光。

  (6) 取半导体系体例制手艺兼容;可多量量出产。因为这些特点,半导体激光器自问世以来获得了世界的普遍关心取研究。成为世界上成长最快、使用最普遍、最早走出尝试室实现商用化且产值最大的一类激光器。颠末40多年的成长,半导体激光器曾经从最后的低温77K、脉冲运转成长到室温持续工做、工做波长从最起头的红外、扩展到蓝紫光;阈值电流由10^5 A/cm2量级降至10^2 A/cm2量级;工做电流最小到亚mA量级;输出功率从几mW到阵列器件输出功率达数kW;布局从同质结成长到单异质结、双异质结、量子阱、量子阱阵列、分布反馈型、DFB、分布布拉格反射型、DBR等270多种形式。制做方式从扩散法成长到液相外延、LPE、气相外延、VPE、金属无机化合物淀积、MOCVD、束外延、MBE、化学束外延、CBE等多种制备工艺。

  半导体光电器件的工做波长是和制做器件所用的半导体材料的品种相关的。半导体材猜中存正在着导带和价带,导带能够让电子,而价带下面能够让空穴,导带和价带之间隔着一条禁带,当电子接收了光的能量从价带腾跃到导带中去时,就把光的能量变成了电,而带有电能的电子从导带跳回价带,又能够把电的能量变成光,这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工做波长。材料科学的成长使我们能采用能带工程对半导体材料的能带进行各类精巧的裁剪,使之能满脚我们的各类需要并为我们做更多的工作,也能使半导体光电器件的工做波长冲破材料禁带宽度的扩展到更宽的范畴。

  半导体复合发光达到受激发射(即发生激光)的需要前提是:①粒子数反转分布别离从P型侧和n型侧注入到有源区的载流子密度十分高时,占领导带电子态的电子数跨越占领价带电子态的电子数,就构成了粒子数反转分布。②光的谐振腔正在半导体激光器中,谐振腔由其两头的镜面构成,称为法布里一珀罗腔。③高增益用以弥补光损耗。谐振腔的光损耗次要是从反射面向外发射的损耗和介质的光接收。

  激光二极管正在计较机上的光盘驱动器,激光打印机中的打印头,条形码扫描仪,激光测距、激光医疗,光通信,激光等小功率光电设备中获得了普遍的使用,正在舞台灯光、激光手术、激光焊接和激光兵器等大功率设备中也获得了使用。

  (4)垂曲发散角θ⊥:激光二极管的发光带正在垂曲PN结标的目的张开的角度,一般正在15?~40?摆布。

  激光二极体的长处有:效率高、体积小、分量轻且价钱低。特别是多分量子井型的效率有20~40%,P-N型也达到数15%~25%,总而言之能量效率高是其最大特色。别的,它的持续输出波长涵盖了红外线到可见光范畴,而光脉冲输出达50W(脉宽100ns)品级的产物也已贸易化,做为激光雷达或激发光源可说常容易利用的激光的例子。

  半导体二极管激光器是最适用最主要的一类激光器。它体积小、寿命长,并可采用简单的注入电流的体例来泵浦,其工做电压和电流取集成电兼容,因此可取之单片集成。而且还能够用高达GHz的频次间接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。因为这些长处,半导体二极管激光器正在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面获得了普遍的使用。

  半导体激光器是以必然的半导体材料唱工做物质而发生激光的器件……其工做道理是通过必然的激励体例,正在半导体物质的能带(导带取价带)之间,或者半导体物质的能带取杂质(受从或施从)能级之间,实现非均衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转形态的大量电子取空穴复应时,便发生受激发射感化。半导体激光器的激励体例次要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器,一般是由砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导面子结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,正在结平面区域发生受激发射。

  半导体激光(Semiconductor laser)正在1962年被成功激发,正在1970年实现室温下持续输出。后来颠末改良,开辟出双异质接合型激光及条纹型构制的激光二极管(Laser diode)等,普遍利用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光器(激光笔),是目前出产量最大的激光器。

  (1)波长:即激光督工做波长,可做光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、激光二极管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。