深度解析半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理及工作原理

半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管，是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。它具有體積小、壽命長的特點(diǎn)，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可與之單片集成。

由于這些優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體二極管激光器在激光通信、光存儲(chǔ)、光陀螺、激光打印、測(cè)距以及雷達(dá)等方面以及獲得了廣泛的應(yīng)用。

激光器的發(fā)光原理

產(chǎn)生激光要滿足以下條件：

一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；

二、要有諧振腔，能起到光反饋?zhàn)饔?，形成激光振蕩；形成形式多樣，最簡單的是法布里——帕羅諧振腔。

三、產(chǎn)生激光還必須滿足閾值條件，也就是增益要大于總的損耗。

（1）滿足一定的閥值條件。

為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場(chǎng)。這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注人，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當(dāng)激光器達(dá)到閥值時(shí)，具有特定波長的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。

（2）諧振腔，能起到光反饋?zhàn)饔?，形成激光振蕩?/p>

要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜。

對(duì)F－P腔（法布里—拍羅腔）半導(dǎo)體激光器可以很方便地利用晶體的與P－N結(jié)平面相垂直的自然解理面構(gòu)成F－P 腔。

（3）增益條件：

建立起激射媒質(zhì)（有源區(qū)）內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布。在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級(jí)所組成的能帶，因此在半導(dǎo)體中要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個(gè)能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價(jià)帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注人必要的載流子來實(shí)現(xiàn)，將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去。當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。

半導(dǎo)體激光器特性

半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的一類激光器件。它誕生于1962年，除了具有激光器的共同特點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 體積小，重量輕；

（2） 驅(qū)動(dòng)功率和電流較低；

（3） 效率高、工作壽命長；

（4） 可直接電調(diào)制；

（5） 易于與各種光電子器件實(shí)現(xiàn)光電子集成；

（6） 與半導(dǎo)體制造技術(shù)兼容；可大批量生產(chǎn)。

由于這些特點(diǎn)，半導(dǎo)體激光器自問世以來得到了世界各國的廣泛關(guān)注與研究。成為世界上發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛、最早走出實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)商用化且產(chǎn)值最大的一類激光器。

半導(dǎo)體激光器工作原理

半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵(lì)方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)（即利用電子）在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。

半導(dǎo)體激光器是依靠注入載流子工作的，發(fā)射激光必須具備三個(gè)基本條件：

（1）要產(chǎn)生足夠的 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)；

（2）有一個(gè)合適的諧振腔能夠起到反饋?zhàn)饔?，使受激輻射光子增生，從而產(chǎn)生激光震蕩；

（3）要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。

審核編輯 黃昊宇