第3章光源光电器件33节.ppt

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1、激光光源的优点激光光源的优点方向性强、单色性好、相干性好、光亮方向性强、单色性好、相干性好、光亮 度高等。度高等。激光器的分类激光器的分类 1.1.按激光器按激光器工作物质工作物质的种类分的种类分 固体激光器固体激光器 气体激光器气体激光器 液体激光器液体激光器 半导体激光器半导体激光器 2.2.按激光器按激光器工作方式工作方式分分 连续型激光器连续型激光器 超短脉冲型激光器超短脉冲型激光器 脉冲型激光器脉冲型激光器 Q Q突变型激光器突变型激光器3.3.1 3.3.1 半导体激光器的分类半导体激光器的分类 半导体激光器，也称激光二极管半导体激光器，也称激光二极管(Laser Diode(La

2、ser Diode，简称，简称LD)LD)，是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器。它可分为是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器。它可分为 1.1.从半导体激光器的反射激光看从半导体激光器的反射激光看 半导体结型二极管注入式激光器半导体结型二极管注入式激光器 垂直腔表面发射半导体激光器垂直腔表面发射半导体激光器 2.2.从结型看从结型看 同质结激光器同质结激光器 异质结激光器异质结激光器 3.3.从制造工艺看从制造工艺看 一般半导体激光器一般半导体激光器 分布反馈式半导体激光器分布反馈式半导体激光器 量子阱半导体激光器量子阱半导体激光器 4.4.从阵列看从阵列看 单元阵列单元阵列 一

3、维线阵列一维线阵列 二维面阵列二维面阵列 5.5.从发光的光谱看从发光的光谱看 可见光半导体激光器可见光半导体激光器 非可见光半导体激光器非可见光半导体激光器3.3.2 3.3.2 激光的产生机理激光的产生机理 光的吸收与发射和原子、分子等粒子的能量状态改变相关光的吸收与发射和原子、分子等粒子的能量状态改变相关联。当粒子从高能级跃迁到低能级时发出辐射光子，而当粒子联。当粒子从高能级跃迁到低能级时发出辐射光子，而当粒子从低能级跃迁到高能级时吸收光子。激光的产生机理一般涉及从低能级跃迁到高能级时吸收光子。激光的产生机理一般涉及受激辐射受激辐射、粒子数反转粒子数反转与与谐振谐振三个关键问题。三个关键

4、问题。1.1.自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射 设设E E1 1为基态能级，为基态能级，E E2 2为激发态能级。在常温下大部分电子为激发态能级。在常温下大部分电子处于基态。当原子在处于基态。当原子在E E1 1与与E E2 2两个能级之间跃迁时将产生两个能级之间跃迁时将产生自发辐自发辐射射、受激辐射受激辐射和和受激吸收受激吸收三个基本过程。三个基本过程。自发辐射的特点自发辐射的特点 每个原子的跃迁是独立的每个原子的跃迁是独立的自发进行的，它们彼此毫无关自发进行的，它们彼此毫无关系，因而发出的辐射是杂乱无系，因而发出的辐射是杂乱无章的非相干光。章的非相干光。自发辐射的寿命就是原子自发辐射的

5、寿命就是原子处于激发态的平均时间，一般处于激发态的平均时间，一般在在1010-9-91010-3-3 s s。图图3-24 3-24 原子的自发辐射、受激辐射原子的自发辐射、受激辐射和受激吸收示意图和受激吸收示意图受激辐射受激辐射 当能量当能量hvhv的辐射作用在处于受激能级的辐射作用在处于受激能级E E2 2的原子上时，原子的原子上时，原子因受激而从不稳定的受激能级因受激而从不稳定的受激能级E E2 2跃回到基态，并发射出频率、跃回到基态，并发射出频率、位相和方向都与入射辐射光子相同的能量为位相和方向都与入射辐射光子相同的能量为hvhv的光子。的光子。受激吸收受激吸收 原子接受辐射能原子接受

6、辐射能hvhv从基态能级从基态能级E E1 1跃入受激能级跃入受激能级E E2 2受激吸收受激吸收的过程。原子在激发态时不稳定的，在没有任何外界刺激的条的过程。原子在激发态时不稳定的，在没有任何外界刺激的条件下，又自发返回基态的趋势，并放出能量为件下，又自发返回基态的趋势，并放出能量为hvhv的光子。的光子。产生激光的必要条件产生激光的必要条件受激辐射占主导地位。受激辐射占主导地位。2.2.粒子数反转粒子数反转-分布反转分布反转 要使激光工作物质的受激辐射占主导地位，就必须从外部要使激光工作物质的受激辐射占主导地位，就必须从外部给工作物质提供能来能量，使处于激发态的载流子数远大于处给工作物质提

7、供能来能量，使处于激发态的载流子数远大于处于基态的载流子数。也就是把载流子的正常分布倒转过来，称于基态的载流子数。也就是把载流子的正常分布倒转过来，称为为粒子数的反转粒子数的反转或或粒子分布的反转状态粒子分布的反转状态。粒子数的反转是使受激辐射从次要地位转化为主导地位的粒子数的反转是使受激辐射从次要地位转化为主导地位的必要条件，也是产生激光发射的必要条件必要条件，也是产生激光发射的必要条件。使激光物质产生粒子反转的方法有：使激光物质产生粒子反转的方法有：固体激光器常采用适当谱线的强光对激光物质进行照射；固体激光器常采用适当谱线的强光对激光物质进行照射；气体激光常采用使气体电离的方法；气体激光常

8、采用使气体电离的方法；半导体激光器采用注入载流子的方法。半导体激光器采用注入载流子的方法。3.3.谐振腔谐振腔 产生谐振的方法产生谐振的方法 在激光物质的两侧放置相互平行的反光镜，形成光的在激光物质的两侧放置相互平行的反光镜，形成光的“共共振振”现象。通常将能使光产生现象。通常将能使光产生“共振共振”的装置称为的装置称为“共振腔共振腔”或或“谐谐振腔振腔”。自发辐射的方向不与谐振腔轴线平行的光子将被反射出腔自发辐射的方向不与谐振腔轴线平行的光子将被反射出腔外，只有与轴线平行的自发辐射光子才能产生外，只有与轴线平行的自发辐射光子才能产生“共振共振”现象而现象而被被增强，形成受激辐射。即平行于腔轴

9、的光子在腔内的两个反射增强，形成受激辐射。即平行于腔轴的光子在腔内的两个反射面上来回反射，反复通过工作物质，依靠受激辐射，光子每通面上来回反射，反复通过工作物质，依靠受激辐射，光子每通过一次工作物质便得到一次增强，使光子数不断增长。过一次工作物质便得到一次增强，使光子数不断增长。产生激光的又一个必要条件产生激光的又一个必要条件谐振腔谐振腔 受激辐射的光子在谐振腔中来回多次反射的过程中，因受激辐射的光子在谐振腔中来回多次反射的过程中，因散射、投射和吸收等原因而受到损耗。如果光子在腔内来回散射、投射和吸收等原因而受到损耗。如果光子在腔内来回一次所感生出来的光子数比损耗掉的多得多，便可以产生激一次所

10、感生出来的光子数比损耗掉的多得多，便可以产生激光谐振。同时光在两反射面之间的反射形成两列相反方向传光谐振。同时光在两反射面之间的反射形成两列相反方向传播的光波，只有这两列光波叠加形成驻波时，这种振荡才是播的光波，只有这两列光波叠加形成驻波时，这种振荡才是稳定的。稳定的。产生稳定的振荡条件：产生稳定的振荡条件：共振腔的长度共振腔的长度L L恰好等于辐射光半波长的整数倍，即恰好等于辐射光半波长的整数倍，即（3-93-9）式中，式中，n n为与波长为与波长相关的介质折射率；相关的介质折射率；m m为正整数。对于不为正整数。对于不同的同的m m值，将有不同波长的驻波相对应。值，将有不同波长的驻波相对应

11、。)2(nmL 通常将在共振腔内沿腔轴方向的各种可能的驻波叫做通常将在共振腔内沿腔轴方向的各种可能的驻波叫做谐谐振腔的纵模振腔的纵模。谐振腔的谐振频率或称纵模频率，即。谐振腔的谐振频率或称纵模频率，即 v=mc/2nL （3-10）纵模频率纵模频率v v只与腔体长度只与腔体长度L L及介质材料的折射率及介质材料的折射率n n有关。与其他有关。与其他参数无关。参数无关。获得激光输出的获得激光输出的3 3个必要条件为个必要条件为：必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能级上去，必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能级上去，为此需要泵浦源；为此需要泵浦源；要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损

12、耗；要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗；有一个谐振腔为出射光子提供正反馈极高的增益，用以有一个谐振腔为出射光子提供正反馈极高的增益，用以 维持受激辐射的持续振荡维持受激辐射的持续振荡法布里法布里-珀罗腔珀罗腔 在半导体激光器中，在半导体激光器中，两端的解理面起到反射镜两端的解理面起到反射镜的作用。图的作用。图3-243-24所示为不所示为不需外加需外加反射镜的反射镜的法布里法布里珀罗腔光学谐振腔。珀罗腔光学谐振腔。图图3-24 3-24 法布里法布里-珀罗光学谐振腔珀罗光学谐振腔解理面作为反射镜的解理面作为反射镜的反射率反射率为为（3-113-11）式中，式中，n n为增益介质的折射

13、率，其典型值为为增益介质的折射率，其典型值为3.53.5，解理面的，解理面的反射率为反射率为30%30%。阈值增益阈值增益只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起 稳定的振荡。这一临界增益被称为阈值增益。稳定的振荡。这一临界增益被称为阈值增益。阈值电流阈值电流为达到阈值增益所要求的注入电流。为达到阈值增益所要求的注入电流。设一振幅为设一振幅为E E0 0，频率为，频率为，波数，波数K=nK=n/c/c的平面波，在长的平面波，在长度为度为L L、功率增益系数为、功率增益系数为g g 的光腔中往返一次后，其振幅将增的光腔中往返一次后，其振幅将增211nnRm

14、大到大到exp(exp(g/2g/2)()(2L2L)倍，相位变化为倍，相位变化为2 2KLKL，考虑到激光器内的各，考虑到激光器内的各种吸收和散射损耗及端面透射输出，振幅变化为种吸收和散射损耗及端面透射输出，振幅变化为 R R1 1、R R2 2为端面反射率，为端面反射率，intint为腔内总损耗率。在稳定工作时，平为腔内总损耗率。在稳定工作时，平面波在腔内往返一次强度面波在腔内往返一次强度E E0 0应保持不变。即应保持不变。即（3 3-12-12）令等式两边令等式两边振幅振幅和和相位相位分别相等，则得分别相等，则得（3-133-13）（3 3-14-14）式中，式中，K K=2=2nv/

15、cnv/c，m m为整数。为整数。)exp(int21LRR0int210)2exp()exp()exp(EKLiLRRgLE2nLmc22)1ln(21m21int，或mKLRRLg激光稳定工作的条件激光稳定工作的条件振幅条件和相位条件。振幅条件和相位条件。振幅条件振幅条件规定增益和电流的最小值规定增益和电流的最小值 相位条件相位条件规定激光器的振荡频率规定激光器的振荡频率v v 必为必为v v=mc/2nL=mc/2nL中的中的一个频率。这些频率对应于一个频率。这些频率对应于纵向模式纵向模式（简称纵模），并与光学（简称纵模），并与光学谐振腔的长度有关。谐振腔的长度有关。一个纵模只有在其增益

16、大于或等于损耗时，才能成为工作一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。模式，即在该频率上形成激光输出。多（纵）模激光器多（纵）模激光器-有有2 2个以上纵模激励的激光器。个以上纵模激励的激光器。单（纵）模激光器单（纵）模激光器在谐振腔中加入色散元件或采用外腔在谐振腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激励反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激励图图3-25 3-25 激光器纵模分布及增益曲线激光器纵模分布及增益曲线3.3.3 3.3.3 半导体激光器半导体激光器 半导体激光器有半导体激光器有 电子束激励式电子束激励式 注入式注入式应用最普遍应用最普遍1.PN1.PN结型二极管注入式激光器结型二极管注入式激光器 结构与原理结构与原理 根据产生激光所必须具备的条件，激光器一般由三部分组根据产生激光所必须具备的条件，激光器一般由三部分组成，即成，即激发装置（泵源）激发装置（泵源）工作物质工作物质 谐振腔谐振腔 激光器的结构激光器的结构 工作物质制成工作物质制成PNPN结并切成长方块。为实现分布反转，结区结并切成长方块。为实现分