半導(dǎo)體激光器原理

本文中，小編將對(duì)半導(dǎo)體激光器予以介紹，如果你想對(duì)它的詳細(xì)情況有所認(rèn)識(shí)，或者想要增進(jìn)對(duì)它的了解程度，不妨請(qǐng)看以下內(nèi)容哦。

一、半導(dǎo)體激光器及其原理

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。由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，不同種類產(chǎn)生激光的具體過程比較特殊。常用工作物質(zhì)有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種形式。 半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫時(shí)多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。

根據(jù)固體的能帶理論，半導(dǎo)體材料中電子的能級(jí)形成能帶。高能量的為導(dǎo)帶，低能量的為價(jià)帶，兩帶被禁帶分開。引入半導(dǎo)體的非平衡電子-空穴對(duì)復(fù)合時(shí)，把釋放的能量以發(fā)光形式輻射出去，這就是載流子的復(fù)合發(fā)光。

一般所用的半導(dǎo)體材料有兩大類，直接帶隙材料和間接帶隙材料，其中直接帶隙半導(dǎo)體材料如GaAs(砷化鎵)比間接帶隙半導(dǎo)體材料如Si有高得多的輻射躍遷幾率，發(fā)光效率也高得多。

半導(dǎo)體復(fù)合發(fā)光達(dá)到受激發(fā)射(即產(chǎn)生激光)的必要條件是：①粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布分別從P型側(cè)和n型側(cè)注入到有源區(qū)的載流子密度十分高時(shí)，占據(jù)導(dǎo)帶電子態(tài)的電子數(shù)超過占據(jù)價(jià)帶電子態(tài)的電子數(shù)，就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。②光的諧振腔在半導(dǎo)體激光器中，諧振腔由其兩端的鏡面組成，稱為法布里一珀羅腔。③高增益用以補(bǔ)償光損耗。諧振腔的光損耗主要是從反射面向外發(fā)射的損耗和介質(zhì)的光吸收。

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)饔茫故芗ぽ椛涔庾釉錾?，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。

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)體激光器優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等。

二、半導(dǎo)體激光器和光纖激光器的不同之處

1.介質(zhì)材料不同光纖激光器和半導(dǎo)體激光器的區(qū)別就是他們發(fā)射激光的介質(zhì)材料不同。光纖激光器使用的增益介質(zhì)是光纖,半導(dǎo)體激光器使用的增益介質(zhì)是半導(dǎo)體材料,一般是砷化鎵,銦鎵申等。

2.發(fā)光機(jī)理不同半導(dǎo)體激光器的發(fā)光機(jī)理:是粒子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間躍遷產(chǎn)性光子,因?yàn)槭前雽?dǎo)體,所以使用電激勵(lì)即可,是直接的電光轉(zhuǎn)換。而光纖不能夠直接實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換,需要用光來泵浦增益介質(zhì)(一般用激光二極管泵浦),它實(shí)現(xiàn)的是光光轉(zhuǎn)換。

3.散熱性能不同光纖激光器散熱好,一般風(fēng)冷即可。半導(dǎo)體激光器受溫度影響非常大,當(dāng)功率較大時(shí),需要水冷。

4.主要特性不同光纖激光器的主要特性是器件體積小，靈活。激光輸出譜線多，單色性好,調(diào)諧范圍寬。并且其性能與光偏振方向無關(guān),器件與光纖的耦合損耗小。轉(zhuǎn)換效率高,激光閾值低。光纖的幾何形狀具有很低的體積和表面積,再加上在單模狀態(tài)下激光與泵浦可充分耦合。半導(dǎo)體激光器易與其他半導(dǎo)體器件集成。具有的特性是可直接電調(diào)制;易于與各種光電子器件實(shí)現(xiàn)光電子集成;體積小，重量輕;驅(qū)動(dòng)功率和電流較低;效率高、工作壽命長(zhǎng);與半導(dǎo)體制造技術(shù)兼容;可大批量生產(chǎn)。

5.應(yīng)用不同光纖激光器主要應(yīng)用于激光光纖通訊、激光空間遠(yuǎn)距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標(biāo)激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔切割焊接(銅焊、淬水、包層以及深度焊接)、軍事國(guó)防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè),作為其他激光器的泵浦源等等。半導(dǎo)體激光器在激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)和跟蹤、引燃引爆、自動(dòng)控制、檢測(cè)儀器等方面有廣泛應(yīng)用。

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