半导体激光器的工作原理及应用文档格式.docx

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从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。

关键词：

受激辐射；

光场；

同质结；

异质结；

大功率半导体激光器

Theworkingprincipleofsemiconductorlasersandapplications

ABSTRACT:

Themachanismoflasingbysemiconductorlaser,whichrequiressetupspeciallydesignatedreverseofbeamofparticlesamongenergystages,andappropriateopticalsyntoniccoelenteronAsthespecificityofstructurefromsemiconductorandmovingelectrons.somethinginterestinghappens.Ontheonehand,thespecificprocessinproducinglase,ontheotherhand,thebeamoflighthasuniqueadvantages。

Asthereasonsabove,wecaneasilyfounditallquartersofthesociety.Fromhomojunctiontoheterojunction,frominformaticstopower,theadvantagesoflaserareinevidence,thewidespectrum,thesemiconductoropentheepochintheprocessoflaser.

Keyworlds:

stimulatedradiation;

opticalfield;

homojunction;

heterojunction;

high-powersemiconductorlaser

0前言

半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。

半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。

半导体激光器从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作；

从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式。

半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。

半导体激光器的体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用遍布临床、加工制造、军事，其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。

1半导体激光器的工作原理

1.1激光产生原理

半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件：

（1）增益条件：

建立起激射媒质（有源区）内载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现。

将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。

当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

（2）要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。

对F—p腔（法布里一珀罗腔）半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P—n结平面相垂直的自然解理面一[110]面构成F—P腔。

（3）为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。

这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。

当激光器达到阀值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。

可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。

对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。

量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点，而GaInN量子点已用于半导体激光器。

另外，科学家也已经做出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器，这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能带更低一级状态的跃迁，由于只有导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器件。

1。

2半导体激光器的工作特性

1阈值电流。

当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。

影响阈值的几个因素：

（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。

（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。

（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。

目前，室温下同质结的阈值电流大于30000A/cm2；

单异质结约为8000A/cm2；

双异质结约为1600A/cm2。

现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。

（4）温度愈高，阈值越高。

100K以上，阈值随T的三次方增加。

因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。

2方向性。

由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°

-30°

；

在结的水平面内约为10°

左右。

3效率。

量子效率η＝每秒发射的光子数／每秒到达结区的电子空穴对数

77K时，GaAs激光器量子效率达70％－80％；

300K时，降到30％左右。

功率效率η1＝辐射的光功率／加在激光器上的电功率

　　由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的η1最高10％，只有在低温下才能达到30％－40％。

4光谱特性。

由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之间，所以激光线宽较宽，GaAs激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。

输出激光的峰值波长：

77K时为840nm；

300K时为902nm。

2同质结和异质结激光器

2．1半导体激光器的发展历史

20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的pn结二极管。

在正向大电流注入下，电子不断地向P区注入，空穴不断地向1"

1区注入。

于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧

光，在一定的条件下发生激光。

这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。

半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层。

如GaAs。

GaAIAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器（1969年）。

单异质结注入型激光器（SHLD）是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP—N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。

1970年，实现了激光波长为9000A，室温连续工作的双异质结caAs—GaAIAs（砷化镓一镓铝砷）激光器。

双异质结激光器（DHL）的诞生使可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，其结构的特点是在P型和n型材料之间生长了仅有0。

2tt。

m厚的，不掺杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注A。

00载流

子被限制在该区域内（有源区），因而注人较少的电流就可以实现载流子数的反转。

在半导体激光器件中。

目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。

随着异质结激光器的研究发展，加之由于MBE、MOCVD技术的成就，于是，在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器（QWL），它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。

后来，又由于MOCVD、MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加良好的量子阱激光器，量子阱半导体激光器与双异质结（DH）激光器相比，具有阈值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。

从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器。

另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。

在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器（连续输出功率在100mw以上，脉冲输出功率在5W以上，均可称之谓高功率半导体激光器）在20世纪90年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到600W【1】。

如果从激光波段的被扩展的角度来看，先是红外半导体激光器，接着是670hm红光半导体激光器大量进人应用，接着，波长为650nm、635nm的问世，蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功，l0mw量级的紫光乃至紫外光半导体激光器，也在加紧研制中【2】。

同质结和异质结半导体激光器性能对照（表）

【3】

名称

制成时间

主要制作方法

突破特性

阈值电流A/㎝2

工作温度

缺点

同质结

1962

扩散法

半导体材料

105

77K脉冲工作

阈值电压过高

单异质结

1967

液相外延法

脉冲下工作

104

室温脉冲工作

不能连续工作

双异质结

1970

连续工作

103

室温连续工作

多纵模发射

2.2异质结激光器的工作过程

半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图1示出的双异质结（DH）平面条形结构。

这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。

图中标出所用材料和近似尺寸。

结构中间有一层厚0.1~0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；

两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。

三层半导体置于基片（衬底）上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗（FP）谐振腔。

图1双异质结（DH）平面条形激光器的基本结构

（a）短波长;

（b）长波长

DH激光器工作原理（图2）

由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。

P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。

同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。

这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。

另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/