半导体激光器原及应用.pptx

半导体激光器原理及应用姓名：徐钦锋 学号：20164208084半导体激光器工作原理 12半导体激光器的主要性能目录密集波分复用半导体激光器3CONTENTS半导体激光器的应用4自发辐射与受激辐射（a）自发辐射： 特点：独立、杂乱无章的非相干光、寿命取决于半导体禁带宽度及复合中心密度等，一般为10-9~10-3 量级（b）受激辐射：受激发射出的光子频率，相位和方向都与入射光子 相同。（c）受激吸收：原子接收辐射能 从基态能级E1越入受激能级E2。 产生激光的必要条件：受激辐射占主导地位 自发辐射的特点这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的光彩。E2E2hvhvhvE1E1受激辐射示意图受激辐射激发态的原子，受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足hv=E2-E1，原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。这一过程被称为受激辐射粒子数反转在热平衡状态下，粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律：k为玻耳兹曼常数，N2、g2和N1、g1分别为高能态E2和低能态E1的粒子数和统计权重。由于E2E1，T0，故N1N2 ，即高能态上的粒子总少于低能态上的粒子数。于是原子系统的受激吸收过程总占优势。采用适当的激励，破坏热平衡状态，使高能态粒子数多于低能态粒子数，即为粒子束反转。半导体激光器通过光激励或正向PN结注入等，来实现载流子的粒子束反转。谐振腔为使发射光具有激光的特点，必须使其产生谐振。能使光产生共振的装置即为谐振腔。只有与轴线平行的辐射光子产生共振现象而被增强，不在这个方向上的将被反射出腔外。两相反方向的光波，只有叠加形成驻波时，才能形成稳定的振荡。驻波条件：纵模：共振腔内沿腔轴方向形成的各种可 能的驻波称为谐振腔的纵模激光器稳定工作的条件稳定工作时，平面波在腔内往返一次强度E0保持不变，有：g为功率增益系数，L为腔长，K=nw/c为平面波的波数，αint为腔内总损耗率将等式两边的振幅和相位分别相等，得： 两个公式前者规定了增益和电流的最小值，后者规定激光器的振荡频率——纵向模式，其与光学谐振腔有关法布里-珀罗光学谐振腔激光器稳定工作条件激光束的锁模：锁模技术就是采用一定的调制方法，使激光振荡不同频率各纵模之间有确定的相位关系，即各纵模相邻频率间隔相等。在一般谐振腔内，处于激光介质的增益大于谐振腔损耗频率范围内的纵模有几百个。在频域范畴内，激光辐射由许多纵模间隔为 C/2L 的谱线组成。这些模彼此互不相关地进行振荡，其相位随机地分布在一π 到十π 之间。其时域输出特征类似热噪声。但是，如果迫使振荡模彼此之间的相位关系保持固定，那么激光输出将以完全确定的形式变化。此时，我们说激光是锁模或锁相的。锁模相当于使谱线的振幅及相位相关。锁模的分类：主动锁模：周期性调制谐振腔的损耗或光程n被动锁模：利用可饱和吸收体的非线性吸收特性，对腔内激光的吸收是随光场强度而变化的自锁模：激活介质本身的非线性效应能够保持各个纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系同步泵浦锁模：周期性调制谐振腔的增益激光器纵模分布及增益曲线半导体激光器的模谱半导体激光器在不同工作电流下的模谱观察可知，激光能量向主模转移，峰值波长发生红移半导体激光器的特性转换效率高：70%。体积小：1mm3寿命长，可达数十万小时输出波长范围广：0.6-1.1um，2~3um。易调制：直接调制缺点：发散角大，光束质量差。阈值特性阈值是所有激光器的属性，标志着增益与损耗的平衡点。阈值常用电流密度Jth或者电流I表示。 影响激光器阈值特性的主要因素： 1）器件结构 2）有源区材料 3）器件工作温度有源区材料的影响：有源区的材料必须选用直接带隙材料，材料的组分变化将会引起直接带隙和间接带隙跃迁的比率发生变化，从而改变辐射频率的波长。 故：可通过薄膜生长工艺获得不同的有缘材料 温度的影响温度变化对阈值电流产生明显的影响，温度升高，阈值电流增大，增大幅度因 材料体系和器件结构而异。实验经验公式为：Jth（T）和Jth（Tr）分别为在某一温度T和室温Tr下所测得阈值电流密度，T0是一个由实验拟合的参数，称为特征温度。容易看出，当 时，阈值电流将不随温度变化，故提高T0是一个重要的研究内容。阈值电流对温度的依赖关系主要来自于下列因素： 1）增益系数 2）载流子的俄歇复合，载流子的界面态和表面态的复合，载流子的吸收引起的