1、第八講 半導(dǎo)體激光器（一）1 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)2 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)諧振腔的正反饋實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光。 3 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 4 光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式 自發(fā)輻射無外界激勵而高能級電子自發(fā)躍遷到低能級，同時釋放出光子。 受激輻射高能級電子受到外來光作用，被迫躍遷到低能級，同時釋放出光子，且產(chǎn)生的新光子與外來激勵光子同頻同方向，為相干光。 受激吸收低能級電子在外來光作用下吸收光能量而躍遷到

2、高能級。 5 E2 E1 E2 E1 hf12 hf12 hf12 hf12 初態(tài) 終態(tài)(b)自發(fā)輻射(c)受激輻射(a)受激吸收 能級與電子躍遷示意圖6 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 設(shè)在單位物質(zhì)中低能級電子數(shù)和高能級電子數(shù)分別為N1和N2物質(zhì)在正常狀態(tài)下N1N2，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，此時光通過該物質(zhì)時，光強會衰減，物質(zhì)為吸收物質(zhì)。若N2N1，受激吸收小于受激輻射，光通過該物質(zhì)時，光強會放大，該物質(zhì)成為激活物質(zhì)。N2N1的分布與正常狀態(tài)相反，故稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。7 半導(dǎo)體的能帶和電子分布 能量價帶價帶EgEfEf/2Ef/2EgEfEeEvEvEeEgEfEeEv

3、(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8能帶電子所處的能態(tài)擴展成的連續(xù)分布的能級。價帶能量低的能帶。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的能級被電子占據(jù)的概率為費米分布 費米能級 用于描述半導(dǎo)體中各能級被電子占據(jù)的狀態(tài)，在費米能級，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。exp11)(KTEEEPffEfEfE9 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)EVPEePEeNEVNEfN

4、EfPhfhf10 PN結(jié)界面上由于多數(shù)載流子擴散運動形成內(nèi)部空間電場區(qū)，該電場導(dǎo)致載流子的漂移運動，無外加電壓時，兩種運動處于平衡狀態(tài)，能帶發(fā)生傾斜。當外加正向電壓時，內(nèi)部電場被削弱，擴散運動加強，能帶傾斜減小，在PN結(jié)形成一個增益區(qū)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布區(qū)）可產(chǎn)生自發(fā)輻射。11 光學(xué)諧振腔 光學(xué)諧振腔由兩個反射率分別為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。12 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

5、方向進行選擇，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)增益與損耗相當時開始建立穩(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nqL2nLL2LRRht2)1ln(21htL13 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） 14 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15 雙異質(zhì)結(jié)（DH)LD的工作原理示意圖P GayAl1-yAsP GaAsN GaXAl1-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)16 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)不同的波長。結(jié)構(gòu)中間一層窄帶