第5章 固体激光器.ppt

第八讲 半导体激光器（一） 主要内容 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的基本结构 半导体激光器工作原理 半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用光学谐振腔的正反馈实现光放大而产生激光。 半导体激光器工作原理 光与物质相互作用的三种基本方式 粒子数反转分布 激光振荡和光学谐振腔 光与物质相互作用的三种基本方式 自发辐射——无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级，同时释放出光子。 受激辐射——高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。 受激吸收——低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到高能级。 能级与电子跃迁示意图 粒子数反转分布 设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为N1和N2物质在正常状态下N1＞N2，受激吸收与受激辐射的速率分别比例于N1和N2且比例系数相等，此时光通过该物质时，光强会衰减，物质为吸收物质。若N2＞N1，受激吸收小于受激辐射，光通过该物质时，光强会放大，该物质成为激活物质。N2＞N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分布。 半导体的能带和电子分布 能带——电子所处的能态扩展成的连续分布的能级。 价带——能量低的能带。 导带——能量高的能带。 禁带Eg——导带底的能量Ee 和价带顶能量Ev间的能量差 在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 费米能级 ——用于描述半导体中各能级被电子占据的状态，在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。在本征半导体中， 位于禁带中央；N型半导体中 增大；在P型半导体中 减小。 PN结的能带和电子分布 PN结界面上由于多数载流子扩散运动形成内部空间电场区，该电场导致载流子的漂移运动，无外加电压时，两种运动处于平衡状态，能带发生倾斜。当外加正向电压时，内部电场被削弱，扩散运动加强，能带倾斜减小，在PN结形成一个增益区（粒子数反转分布区）可产生自发辐射。 光学谐振腔 光学谐振腔——由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成。腔内物质具备粒子数反转分布，可用其产生的自发辐射光作入射光，经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传播的光被减弱，反射光经反射镜多次反射不断被放大，方向性不断改善，使增益大幅度提高。 激光振荡 激活物质在被置于光学谐振腔后，能对光的频率和方向进行选择，可获得连续的光放大和激光振荡输出激光起振阈值条件：腔内增益与损耗相当时开始建立稳定的激光振荡，阈值条件为： 是?阈值增益系数； 是谐振腔内激活物质的损耗系数； 为谐振腔长度 激光振荡的相位条件为： 或 半导体激光器的基本结构 同质结 单异质结（LH） 双异质结（DH） 双异质结（DH)LD的结构 双异质结（DH)LD的工作原理示意图 双异质结（DH)LD的工作原理 双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层，两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体是限制层，三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。 Thank you for your attention! 4.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带 (图a—e )中的情况都只有一个费米能级，在它上面没有有自由电子，在它下面已经被电子充满，不可能发生电子跃迁，只能将外来光子吸收。 (图f )中的情况都只有两费米能级，导带有自由电子，价带中有空穴，当入射光的频率满足 时，外来光子会诱导导带中的自由电子向价带空穴跃迁而发出一个同样的光子。 5.4.2 PN结和粒子数反转 在热平衡系统中(图a—e )中的情况都只有一个费米能级不能产生光放大。把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？ 一、 P-N结的双简并能带结构 如果我们设法使一块完整的半导体一边是N型，而另一边是P型，则在接合处形成 P－N结。 未加电场时，由于电子和空穴的扩散作用，在P－N 结的交界面两侧形成空间电荷区，生产自建场，其电场方向自N区指向P区。引起漂移运动，当扩散运动和漂移运动达到热平衡时， P区和N区的费米能级必然达到同一水平。