1、 2.2.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件 2.2.2 半导体激光器的结构半导体激光器的结构 2.2.3 半导体激光器特性半导体激光器特性 2.2.4 LD的应用的应用半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结结或或PIN结为工作物质的一种小型化激光器。其工作原理结为工作物质的一种小型化激光器。其工作原理是受激辐射，利用半导体物质在能带间跃迁发光，用半是受激辐射，利用半导体物质在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产
2、生光的辐射放大，输组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。出激光。半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼（的半导体材料有砷化稼（GaAs）、砷化铟（）、砷化铟（InAs）、氮）、氮化镓（化镓（GaN）、锑化铟（）、锑化铟（InSb）、硫化镉（）、硫化镉（Cds）、蹄）、蹄化镉（化镉（CdTe）、硒化铅（）、硒化铅（PbSe）、啼化铅（）、啼化铅（PhTe）、）、铝镓砷（铝镓砷（A1xGaAs）、铟磷砷（）、铟磷砷（In-PxAs）等。）等。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结半导体激光器件，可分为
3、同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器的激励方式主要有电注人式、光泵浦式和半导体激光器的激励方式主要有电注人式、光泵浦式和高能电子束激励式三种高能电子束激励式三种。绝大多数半导体激光器的激励方式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给是电注人，即给PN结加正向电压，以使在结平面区域产生受结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光激发射，也就是说是个正向偏置的
4、二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说，由于电子是在器又称为半导体激光二极管。对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长分跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长分布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3-34m之间。之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是AlGaAs双异质结激光器，其输出波长为双异质结激光器，其输出波长为
5、750-890nm。世界上第一只半导体激光器是世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，经过几年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由扩散法到参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由扩散法到液液相外延法相外延法（LPE），），气相外延法气相外延法（VPE），），分子束外延法分子束外延法（MBE），），MOCVD方法（方法（金属有机化合物汽相淀积金属有机化合物汽相淀积），），化学束
6、外延化学束外延（CBE）以及它们的各种结合型等多种工艺。）以及它们的各种结合型等多种工艺。半导体激光器其激射阈值电流由几百半导体激光器其激射阈值电流由几百mA降到几十降到几十mA，直到亚，直到亚mA，其寿命由几百到几万小时，乃至百万，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时。从最初的低温（小时。从最初的低温（77K）下运转发展到在常温下连）下运转发展到在常温下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级（阵列器件）。续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级（阵列器件）。它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高（已达直接转
7、换为激光能、功率转换效率高（已达10%以上、以上、最大可达最大可达50%）、便于直接调制、省电等优点，因此应）、便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代。的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代。半导体激光器最大的半导体激光器最大的缺点缺点是：是：激光性能受温度激光性能受温度影响大，光束的发散角较大（一般在几度到影响大，光束的发散角较大（一般在几度到20度之度之间），所以在
8、方向性、单色性和相干性等方面较差。间），所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高。目前半导体激光器的功率可以达到很高的水提高。目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高。以半导体激平，而且光束质量也有了很大的提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在光器为核心的半导体光电子技术在21世纪的信息社世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用。会中将取得更大的进展，发挥更大的作用。2.
9、2.1光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件（1）粒子数反转产生增益粒子数反转产生增益粒子数反转粒子数反转（population inversion）是产生激光的前）是产生激光的前提。一个原子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下，提。一个原子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下，因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律，使得处于基态因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律，使得处于基态（最低能级）的原子数远远多于处于激发态（较高能级）（最低能级）的原子数远远多于处于激发态（较高能级）的原子数，这种情况得不到激光。为了形成足够的激发辐的原子数，这种情况得不到激光。为了形成足够的激发
10、辐射，得到激光，就必须用一定的方法去激发原子群体，使射，得到激光，就必须用一定的方法去激发原子群体，使亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的反转。反转。（2）提供光的反馈提供光的反馈 解理面解理面其中最简单的是法布其中最简单的是法布 里里珀罗腔珀罗腔图图2.2.1-1 激光二极管的谐振腔激光二极管的谐振腔注入电流注入电流有源区有源区解理面解理面解理面解理面L增益介质增益介质R1R2z=0z=L（晶体中易于劈裂的平面称为（晶体中易于劈裂的平面称为“解理面解理面”。凡显露在晶体。凡显露在晶体外表的晶面往往是一些解理面。）外表的晶面往往是
11、一些解理面。）在在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使场方向相反，便使N区的电子向区的电子向P区运动，区运动，P区的空穴向区的空穴向N区运区运动，最后在动，最后在PN结形成一个特殊的结形成一个特殊的增益区增益区。粒子数反转分布的产生：粒子数反转分布的产生：增益区的导带有大量的电子，价带大量是空穴，在电子增益区的导带有大量的电子，价带大量是空穴，在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，和空穴扩散过程中，
12、导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生产生自发辐射光自发辐射光。这种光发射的范围宽、不集中、效率低。这种光发射的范围宽、不集中、效率低。要真正实现粒子数反转以发射激光，必须对载流子及发射光要真正实现粒子数反转以发射激光，必须对载流子及发射光施加附加的限制施加附加的限制异质结的引入异质结的引入。异质结（异质结（DH：Double-Heterostructure）：就是由带隙）：就是由带隙宽度及折射率都不同的两种半导体材料构成的宽度及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。结。图图 2.2.1-2 DH激光器工作原理激光器工作原理（a）双异质结构；双异质结构；（b）能带；能带；（c）折射率分布
13、；折射率分布；（d）光功率分布光功率分布（d）Pn5%折射率折射率（c）复合复合空穴空穴异质势垒异质势垒E电子电子能量能量（b）PGa1-x Al x AsPN+（a）-GaAsGa1-y Al y As不同于常规激光不同于常规激光出射波段单一，出射波段单一，半导体激光的发半导体激光的发光特点决定了出光特点决定了出射波段非常丰富。射波段非常丰富。for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effectWilliam Shockley John Bardeen Walter Houser
14、 Brattain 获奖评语获奖评语：现代信息技术近几十年深刻改变了人类社会，它的发展必须具备两个简单但又是基本先决条件：一是快速，二是体积小，而这项发明满足了这两个要求。A.爱因斯坦爱因斯坦 对现物理方面对现物理方面的贡献，特别的贡献，特别是阐明光电效是阐明光电效应的定律应的定律 A.M.普洛霍罗夫普洛霍罗夫 在量子电子学中在量子电子学中的研究工作导致的研究工作导致微波激射器和激微波激射器和激光器的制作光器的制作 1964 C.H.汤斯汤斯 在量子电子学的在量子电子学的基础研究导致根基础研究导致根据微波激射器和据微波激射器和激光器原理构成激光器原理构成振荡器和放大器振荡器和放大器N.G.巴索
15、夫巴索夫 用于产生激光用于产生激光光束的振荡器光束的振荡器和放大器的研和放大器的研究工作究工作半导体激光器研究前沿半导体激光器研究前沿垂直于有源层方向上运动的载垂直于有源层方向上运动的载流子动能可量子化成分立的能级，流子动能可量子化成分立的能级，这类似于一维势阱的量子力学问题，这类似于一维势阱的量子力学问题，因而这类激光器叫做量子阱激光器。因而这类激光器叫做量子阱激光器。夹于宽带隙半导体（如夹于宽带隙半导体（如GaAlAs）中间的窄带隙半导体）中间的窄带隙半导体（如（如GaAs）起着载流子（电子和空穴）陷阱的作用，一般的）起着载流子（电子和空穴）陷阱的作用，一般的半导体激光器其厚度约为半导体激
16、光器其厚度约为100200nm，但随着有源层厚度的，但随着有源层厚度的减小，如减小，如510nm，载流子在垂直于有源层方向上出现量子，载流子在垂直于有源层方向上出现量子效应，即出现量子化分立能级，称之为效应，即出现量子化分立能级，称之为量子阱激光器量子阱激光器。这种激光器发光效率更高，电这种激光器发光效率更高，电流阈值更小，出射光单色性更好。流阈值更小，出射光单色性更好。ECE3CE2CE1CEVE1VE2VE3V导带导带价带价带LxE1VE2VEg(GaAlAs)hvEg(GaAs)2.2.1光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定
17、的振只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为荡，这一增益称为阈值增益阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入。为达到阈值增益所要求的注入电流称为电流称为阈值电流阈值电流。一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工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。作模式，即在该频率上形成激光输出。有有2个以上纵模激振的激光器，称为个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器多纵模激光器。通。通过在光腔中加入色散元件等方法，可以使激光器只有一个模过在光腔中加入色散元件等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为式激振，这样的激光器称为
18、单纵模激光器单纵模激光器。增益曲线增益曲线损耗损耗vI2.2.2 半导体激光器的结构半导体激光器的结构2.2.2 半导体激光器的结构半导体激光器的结构最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1m）、）、P型和型和N型限制层构成，如图型限制层构成，如图2.2.2-1所所示。示。图图2.2.2-1 大面积半导体激光器大面积半导体激光器电流电流金属接触金属接触P型型N型型有源层有源层300m200m100m解理面解理面这样的激光器面积大，称为这样的激光器面积大，称为大面积激光大面积激光器。器。为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器为解决侧向辐射和光限
19、制问题，实际的激光器采用了采用了增益导引型增益导引型和和折射率导引型折射率导引型结构。结构。图图2.2.2-2 增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器一、增益导引型半导体激光器一、增益导引型半导体激光器解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里，这样的激光器称为个窄条里，这样的激光器称为条形半导体激光器条形半导体激光器，其结构如，其结构如图图2.2.2-2所示。将一绝缘层介质（所示。将一绝缘层介质（SiO2）淀积在）淀积在P层上，中间层上，中间敞开以注入电流。由于光限制是借助中间条形区的增益来实敞开以注入电流。由于光限制是借助
20、中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为现的，这样的激光器称为增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器。绝缘介质绝缘介质P-InGaAsPInGaAsPP-InPN-InPN+-InP衬底衬底二、折射率导引型半导体激光器二、折射率导引型半导体激光器通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光器称为器称为折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器。图图2.2.2-3 折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器接点接点N-InPN+-
21、InP衬底衬底SiO2SiO2P-InPInGaAsP有源层有源层2.2.3 半导体激光器的特性半导体激光器的特性 一、光谱特性一、光谱特性图图2.2.3-1 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图双异质结激光器的光谱特性示意图图图2.2.3-1为为GaAIAs双异质结激光器的光谱特性。双异质结激光器的光谱特性。波长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的波长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的纵模纵模。驱动电流增大驱动电流增大 832 830 828 826 824832 830 828 826 824832 830 828 826 824当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称为当驱动电流
22、足够大时，多纵模变为单纵模，称为静态静态单纵模激光器单纵模激光器。二、二、*激光束的空间分布激光束的空间分布近场近场是指激光器反射镜面上的光强分布，是指激光器反射镜面上的光强分布，远远场场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为期性的空间分布，称为多横模多横模；在垂直于结平面；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图
23、总是单横模单横模。三、转换效率与输出光功率特性三、转换效率与输出光功率特性由此得到由此得到式中，式中，P和和I分别为激光器的输出光功率与驱动电流，分别为激光器的输出光功率与驱动电流，Pth和和Ith分别为对应的阈值，分别为对应的阈值，hf与与e分别为光子能量与电子电荷。分别为光子能量与电子电荷。（2.2.3-1）()/()/thdthPPhfP eIIeI hf（2.2.3-2）thth()dhfPPIIe激光器的电激光器的电光转换效率用光转换效率用外微分量子效率外微分量子效率d 表表示，其定义为在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光示，其定义为在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数。子数
24、。激光器的输出光功率通常用激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示，图曲线表示，图2.2.3-3为为典型典型LD的光功率特性曲线。当的光功率特性曲线。当 时，激光器发出的时，激光器发出的是自发辐射光，当是自发辐射光，当 时，发出的是受激辐射光，光时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。功率随驱动电流的增加而增加。图图2.2.3-3 典型典型LD的光功率特性曲线的光功率特性曲线thIIthII543210 0 50 100 I/mA发射光功率发射光功率 P/mW 四、温度特性四、温度特性温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是激
25、光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小。图子效率随温度升高而减小。图2.2.3-4 给出了给出了LD的的P-I曲线曲线随温度变化的实例。随温度变化的实例。图图2.2.3-4 LD的的P-I曲线随温度的变化曲线随温度的变化发射光功率发射光功率P/mW543210 0 50 100 I/mA225070 一、光纤通信系统的光源一、光纤通信系统的光源二、光学测量系统的光源二、光学测量系统的光源 三、其他应用三、其他应用目前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有目前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有370nm、390
26、nm、405nm、430nm、480nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中等，其中1310nm、1550nm主要用于光主要用于光纤通讯领域。纤通讯领域。405nm-670nm为可见光波段，为可见光波段，780nm-1550nm为红外光波段，为红外光波段，390nm-370nm为紫外光波段。为紫外光波段。半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使
27、用安全、其应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激使用安全、其应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、测试测量仪器、光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、测试测量仪器、激光显示、医疗仪器、军事、安防、野外探测、建筑类扫平激光显示、医疗仪器、军事、安防、野外探测、建筑类扫平及标线类仪器、实验室及教学演示、舞台灯光及激光表演、及标线类仪器、实验室及教学演示、舞台灯光及激光表演、激光水平尺及各种标线定位等。激光水平尺及各种标线定位等。半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的应用，如野外测距、枪炮等的瞄准、射
28、击模拟系统、致盲、应用，如野外测距、枪炮等的瞄准、射击模拟系统、致盲、对潜通信制导、引信、安防等。由于可用普通电池驱动，使对潜通信制导、引信、安防等。由于可用普通电池驱动，使一些便携式武器设备配置成为可能。一些便携式武器设备配置成为可能。舞台灯半导体激光刻字机半导体激光刻字机 脉冲激光打标机脉冲激光打标机 激光打印机激光打印机激光切割雕刻机激光切割雕刻机 激光焊机（图）模具激光烧焊机激光焊机（图）模具激光烧焊机 激光打孔机激光打孔机 激光灯激光灯激光表演激光表演 激光金属焊接机激光金属焊接机激光角度测量仪激光角度测量仪 激光拉曼光谱仪激光拉曼光谱仪 激光笔激光笔分辨瞄准仪分辨瞄准仪 激光投线仪
29、激光投线仪激光指向仪激光指向仪 激光定位准直仪激光定位准直仪 条形码条形码光驱光驱CD机机激光头激光头 医用半导体激光器医用半导体激光器 激光外科激光外科 半导体激光治疗机半导体激光治疗机 阿波罗登月探测阿波罗登月探测激光雷达激光雷达机载激光武器机载激光武器激光制导激光制导反舰巡航导弹反舰巡航导弹 战斧式陆射巡航导弹战斧式陆射巡航导弹 激光枪激光枪 激光炮激光炮激光武器激光武器激光武器美国波音公美国波音公司用于反导司用于反导的机载激光的机载激光武器系统。武器系统。脉冲激光测距利用了激光的方向性强、能量时空相对集中的优点。脉冲激光测距在有反射器的情况下(见下图，在2处装有反射器)，可以达到极远的
30、测程。在1处产生的激光，经过待测的路程射向2处。在2处装有向1处反射的装置，1处至2处间的距离D是待测的。如果在1处有一种装置，它能够测出脉冲激光从1处到达2处再返回1处所需要的时间t，则 D=ct/2 式中 c 为光的传播速度。应用举例脉冲激光测距图：脉冲激光测距原理图 它由脉冲激光发射系统、接收系统、控制电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路等组成图:脉冲激光测距的方框图 由光电器件5得到的电脉冲，经放大器7以后，输出一定形状的负脉冲至控制电路8。由参考信号产生的负脉冲A(图(d)经控制电路8去打开电子门12。这时振荡频率一定的时钟振荡器11产生的时钟脉冲，可以通过电子门12进入计数显示电路13，计时开始。当反射回来经整形后的测距信号B到来时，关闭电子门12，计时停止。计数和显示的脉冲数如图(g)所示。从计时开始到计时停止的时间正比于参考信号与测距信号之间的时间。图：脉冲矩形波形图图:脉冲激光测距的方框图中国工程院院士许祖彦讲解激光显示技术 激光显示Hologram三维显示技术正在研发基于旋转屏幕和多个微型投影光学系统的体像元真三维立正在研发基于旋转屏幕和多个微型投影光学系统的体像元真三维立体显示器。体显示器。三维显示技术已研制成功无需任何辅助设备即能观察到具有深度感的立体影像的已研制成功无需任何辅助设备即能观察到具有深度感的立体影像的斜光栅立体显示器。斜光栅立体显示器。
