第四章半導體激光器第四章半導體激光器半導體的能帶和產生受激輻射的條件1.在一個具有N個粒子相互作用的晶體中，每一個能級會分裂成為N個能級，因此這彼此十分接近的N個能級好象形成一個連續的帶，稱之為能帶，見圖(5-23)。

固體的能帶2.純凈(本征)半導體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對溫度為零的理想狀態下，能帶由一個充滿電子的價帶和一個完全沒有電子的導帶組成，如圖(5-24)。

本征半導體的能帶3.熱平衡時，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費米分布，能級E被電子占據的幾率為

半導體的能帶和產生受激輻射的條件1.在一個具有N個粒子相互作半導體的能帶和產生受激輻射的條件1.雜質半導體中費米能級的位置與雜質類型及摻雜濃度有密切關系。為了說明問題，圖(5-25)給出了溫度極低時的情況。

2.在半導體中產生光放大的條件是在半導體中存在雙簡并能帶，并且入射光的頻率滿足

費米能級的位置與雜質類型及摻雜濃度關系半導體的能帶和產生受激輻射的條件1.雜質半導體中費米能級的位PN結和粒子數反轉1.P-N結的雙簡并能帶結構

把P型和N型半導體制作在一起，是否可能在結區產生兩個費米能級呢？

未加電場時，P區和N區的費米能級必然達到同一水平，如圖(5-26)。

PN能帶在P-N結上加以正向電壓V時，形成結區的兩個費米能級和，稱為準費米能級，如圖(5-27)。

正向電壓V時形成的雙簡并能帶結構PN結和粒子數反轉1.P-N結的雙簡并能帶結構把P型和N2.粒子數反轉

PN結和粒子數反轉產生受激輻射的條件是在結區的導帶底部和價帶頂部形成粒子數反轉分布。

激光器在連續發光的動平衡狀態，導帶底電子的占據幾率為

價帶頂空穴的占據幾率可以用P區的準費米能級來計算

價帶頂電子占據幾率則為

在結區導帶底和價帶頂實現粒子（電子）數反轉的條件是

2.粒子數反轉PN結和粒子數反轉產生受激輻射的條件是在1.半導體激光器的基本結構和工作原理GaAs激光器的結構半導體激光器的工作原理和閾值條件圖(5-28)示出了GaAs激光器的結構。

2.半導體激光器工作的閾值條件

激光器產生激光的前提條件除了粒子數發生反轉還需要滿足閾值條件

增益系數和粒子數反轉的關系也取決于諧振腔內的工作物質1.半導體激光器的基本結構和工作原理GaAs激光器的結構3.半導體激光器的閾值電流

半導體激光器的工作原理和閾值條件在一定的時間間隔內，注入激光器的電子總數與同樣時間內發生的電子與空穴復合數相等而達到平衡

3.半導體激光器的閾值電流半導體激光器的工作原理和閾值條件同質結和異質結半導體激光器1.同質結砷化鎵(GaAs)激光器的特性

GaAs激光器的伏安特性伏安特性:與二極管相同，也具有單向導電性，如圖(5－29)所示。

閾值電流密度:影響閾值的因素很多方向性:圖(5-30)給出了半導體激光束的空間分布示意圖。激光束的空間分布示意圖

同質結和異質結半導體激光器1.同質結砷化鎵(GaAs)激同質結和異質結半導體激光器1.同質結砷化鎵(GaAs)激光器的特性

光譜特性:圖(5-31)是GaAs激光器的發射光譜。其中圖(a)是低于閾值時的熒光光譜，譜寬一般為幾百埃，圖(b)是注入電流達到或大于閾值時的激光光譜，譜寬達幾十埃。GaAs激光器的發射光譜同質結和異質結半導體激光器1.同質結砷化鎵(GaAs)激同質結和異質結半導體激光器1.同質結砷化鎵(GaAs)激光器的特性

外微分量子效率:

功率效率:功率效率定義為激光器的輸出功率與輸入電功率之比

2.異質結半導體激光器單異質結半導體激光器:單異質結器件結構如圖(5-32)(b)所示雙異質結半導體激光器:雙異質結半導體激光器結構如圖(5－32)(c)所示。同質結、異質結結構示意圖同質結和異質結半導體激光器1.同質結砷化鎵(GaAs)激準分子激光器1.準分子激光器的特點準分子的能級結構能級結構有明顯的特點。如圖(5-33)所示，A表示較高激發態，B表示激光上能級，C表示基態。由于基態壽命很短，即使是超短脈沖情況下，基態也可認為是空的，因此準分子體系對產生巨脈沖特別有利。激光下能級是基態，基本上沒有無輻射損耗。因此量子效率很高，這是準分子激光器可能達到高效率的主要原因。由于激光下能級的離子迅速離解，因而拉長脈寬和高重復率工作都沒有困難。由于準分子的熒光光譜為一連續帶，故可做成頻率可調諧器件。2.準分子激光器的泵浦方式電子束泵浦:①橫向泵浦②縱向泵浦③同軸電子束泵浦快速放電泵浦:快速放電泵浦方式多采用所謂布魯姆萊(Blumlein)電路準分子激光器1.準分子激光器的特點準分子的能級結構能級結構自由電子激光器1.自由電子激光器的工作物質是自由電子束，它和普通激光器的根本區別在于：輻射不是基于原子、分子或離子的束縛電子能級間的躍遷。2.自由電子激光的特點將化學能直接轉換成激光。3.目前，自由電子激光器仍處于試驗階段，離實際應用尚有相當一段距離。化學激光器1.化學激光器是指基于化學反應來建立粒子