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[導(dǎo)讀]一、激光的產(chǎn)生機(jī)理   在講激光產(chǎn)生機(jī)理之前,先講一下受激輻射。在光輻射中存在三種輻射過程,  一時(shí)處于高能態(tài)的粒子在外來光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷,稱之為自發(fā)輻射;   二是處于高能態(tài)的粒子在外來光的激

一、激光的產(chǎn)生機(jī)理
  在講激光產(chǎn)生機(jī)理之前,先講一下受激輻射。在光輻射中存在三種輻射過程,

  一時(shí)處于高能態(tài)的粒子在外來光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷,稱之為自發(fā)輻射;
  二是處于高能態(tài)的粒子在外來光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷,稱之為受激輻射;
  三是處于低能態(tài)的粒子吸收外來光的能量向高能態(tài)躍遷稱之為受激吸收。
  自發(fā)輻射,即使是兩個(gè)同時(shí)從某一高能態(tài)向低能態(tài)躍遷的粒子,它們發(fā)出光的相位、偏振狀態(tài)、發(fā)射方向也可能不同,但受激輻射就不同,當(dāng)位于高能態(tài)的粒子在外來光子的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷,發(fā)出在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面與外來光子完全相同的光。在激光器中,發(fā)生的輻射就是受激輻射,它發(fā)出的激光在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面完全一樣。任何的受激發(fā)光系統(tǒng),即有受激輻射,也有受激吸收,只有受激輻射占優(yōu)勢(shì),才能把外來光放大而發(fā)出激光。而一般光源中都是受激吸收占優(yōu)勢(shì),只有粒子的平衡態(tài)被打破,使高能態(tài)的粒子數(shù)大于低能態(tài)的粒子數(shù)(這樣情況稱為離子數(shù)反轉(zhuǎn)),才能發(fā)出激光。
  產(chǎn)生激光的三個(gè)條件是:實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件。產(chǎn)生光的受激發(fā)射的首要條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn),在半導(dǎo)體中就是要把價(jià)帶內(nèi)的電子抽運(yùn)到導(dǎo)帶。為了獲得離子數(shù)反轉(zhuǎn),通常采用重?fù)诫s的P型和N型材料構(gòu)成PN結(jié),這樣,在外加電壓作用下,在結(jié)區(qū)附近就出現(xiàn)了離子數(shù)反轉(zhuǎn)—在高費(fèi)米能級(jí)EFC以下導(dǎo)帶中貯存著電子,而在低費(fèi)米能級(jí)EFV以上的價(jià)帶中貯存著空穴。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件,但不是充分條件。要產(chǎn)生激光,還要有損耗極小的諧振腔,諧振腔的主要部分是兩個(gè)互相平行的反射鏡,激活物質(zhì)所發(fā)出的受激輻射光在兩個(gè)反射鏡之間來回反射,不斷引起新的受激輻射,使其不斷被放大。只有受激輻射放大的增益大于激光器內(nèi)的各種損耗,即滿足一定的閾值條件:
P1P2exp(2G - 2A) ≥ 1
(P1、P2是兩個(gè)反射鏡的反射率,G是激活介質(zhì)的增益系數(shù),A是介質(zhì)的損耗系數(shù),exp為常數(shù)),才能輸出穩(wěn)定的激光,另一方面,激光在諧振腔內(nèi)來回反射,只有這些光束兩兩之間在輸出端的相位差Δф =2qπ q=1、2、3、4。。。。時(shí),才能在輸出端產(chǎn)生加強(qiáng)干涉,輸出穩(wěn)定激光。設(shè)諧振腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng),激活介質(zhì)的折射率為N,則
Δф=(2π/λ)2NL=4πN(Lf/c)=2qπ,
上式可化為f=qc/2NL該式稱為諧振條件,它表明諧振腔長(zhǎng)度L和折射率N確定以后,只有某些特定頻率的光才能形成光振蕩,輸出穩(wěn)定的激光。這說明諧振腔對(duì)輸出的激光有一定的選頻作用。
  二、激光二極管本質(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管,按照PN結(jié)材料是否相同,可以把激光二極管分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)(SH)、雙異質(zhì)結(jié)(DH)和量子阱(QW)激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低,輸出功率高的優(yōu)點(diǎn),是目前市場(chǎng)應(yīng)用的主流產(chǎn)品。同激光器相比,激光二極管具有效率高、體積小、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),但其輸出功率?。ㄒ话阈∮?mW),線性差、單色性不太好,使其在有線電視系統(tǒng)中的應(yīng)用受到很大限制,不能傳輸多頻道,高性能模擬信號(hào)。在雙向光接收機(jī)的回傳模塊中,上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。
  半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖所示,垂直于PN結(jié)面的一對(duì)平行平面構(gòu)成法布里——珀羅諧振腔,它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面,也可以是經(jīng)過拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對(duì)粗糙,用以消除主方向外其它方向的激光作用。
  半導(dǎo)體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復(fù)合。當(dāng)半導(dǎo)體的PN結(jié)加有正向電壓時(shí),會(huì)削弱PN結(jié)勢(shì)壘,迫使電子從N區(qū)經(jīng)PN結(jié)注入P區(qū),空穴從P區(qū)經(jīng)過PN結(jié)注入N區(qū),這些注入PN結(jié)附近的非平衡電子和空穴將會(huì)發(fā)生復(fù)合,從而發(fā)射出波長(zhǎng)為λ的光子,其公式如下:
λ = hc/Eg (1)
式中:h—普朗克常數(shù); c—光速; Eg—半導(dǎo)體的禁帶寬度。
  上述由于電子與空穴的自發(fā)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過半導(dǎo)體時(shí),一旦經(jīng)過已發(fā)射的電子—空穴對(duì)附近,就能激勵(lì)二者復(fù)合,產(chǎn)生新光子,這種光子誘使已激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大,則會(huì)形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布,即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下,少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射,造成選頻諧振正反饋,或者說對(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí),就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光——激光,這就是激光二極管的簡(jiǎn)單原理。
  隨著技術(shù)和工藝的發(fā)展,目前實(shí)際使用的半導(dǎo)體激光二極管具有復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)。
  常用的激光二極管有兩種:①PIN光電二極管。它在收到光功率產(chǎn)生光電流時(shí),會(huì)帶來量子噪聲。②雪崩光電二極管。它能夠提供內(nèi)部放大,比PIN光電二極管的傳輸距離遠(yuǎn),但量子噪聲更大。為了獲得良好的信噪比,光檢測(cè)器件后面須連接低噪聲預(yù)放大器和主放大器。
  半導(dǎo)體激光二極管的工作原理,理論上與氣體激光器相同。
  激光二極管本質(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管,按照PN結(jié)材料是否相同,可以把激光二極管分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)(SH)、雙異質(zhì)結(jié)(DH)和量子阱(QW)激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低,輸出功率高的優(yōu)點(diǎn),是目前市場(chǎng)應(yīng)用的主流產(chǎn)品。同激光器相比,激光二極管具有效率高、體積小、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),但其輸出功率?。ㄒ话阈∮?mW),線性差、單色性不太好,使其在有線電視系統(tǒng)中的應(yīng)用受到很大限制,不能傳輸多頻道,高性能模擬信號(hào)。在雙向光接收機(jī)的回傳模塊中,上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。
  半導(dǎo)體激光二極管的常用參數(shù)有:
  (1)波長(zhǎng):即激光管工作波長(zhǎng),目前可作光電開關(guān)用的激光管波長(zhǎng)有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。
 ?。?)閾值電流Ith :即激光管開始產(chǎn)生激光振蕩的電流,對(duì)一般小功率激光管而言,其值約在數(shù)十毫安,具有應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至10mA以下。
 ?。?)工作電流Iop :即激光管達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流,此值對(duì)于設(shè)計(jì)調(diào)試激光驅(qū)動(dòng)電路較重要。
  (4)垂直發(fā)散角θ⊥:激光二極管的發(fā)光帶在垂直PN結(jié)方向張開的角度,一般在15?~40?左右。
 ?。?)水平發(fā)散角θ∥:激光二極管的發(fā)光帶在與PN結(jié)平行方向所張開的角度,一般在6?~ 10?左右。
  (6)監(jiān)控電流Im :即激光管在額定輸出功率時(shí),在PIN管上流過的電流。
  激光二極管在計(jì)算機(jī)上的光盤驅(qū)動(dòng)器,激光打印機(jī)中的打印頭等小功率光電設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

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