光源光电器件3.3节

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1、3.3激光光源激光光源的优点—方向性强、单色性好、相干性好、光亮度高等。激光器的分类1.按激光器工作物质的种类分固体激光器气体激光器液体激光器半导体激光器2.按激光器工作方式分连续型激光器超短脉冲型激光器脉冲型激光器Q突变型激光器3.3.1半导体激光器的分类半导体激光器，也称激光二极管(LaserDiode，简称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1.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垂直腔表面发射半导体激光器2.从结型看同质结激光器异质结激光器3.从制造工艺看一般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4.从阵列看单元

2、阵列一维线阵列二维面阵列5.从发光的光谱看可见光半导体激光器非可见光半导体激光器3.3.2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受激辐射、粒子数反转与谐振三个关键问题。1.自发辐射与受激辐射设E1为基态能级，E2为激发态能级。在常温下大部分电子处于基态。当原子在E1与E2两个能级之间跃迁时将产生自发辐射、受激辐射和受激吸收三个基本过程。自发辐射的特点每个原子的跃迁是独立的自发进行的，它们彼此毫无关系，因而发出的辐射是杂乱无章的非相干光。自发辐射的寿

3、命就是原子处于激发态的平均时间，一般在10-9~10-3s。图3-24原子的自发辐射、受激辐射和受激吸收示意图受激辐射当能量hv的辐射作用在处于受激能级E2的原子上时，原子因受激而从不稳定的受激能级E2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hv的光子。受激吸收原子接受辐射能hv从基态能级E1跃入受激能级E2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件下，又自发返回基态的趋势，并放出能量为hv的光子。产生激光的必要条件——受激辐射占主导地位。2.粒子数反转--分布反转要使激光工作物质的受激辐射占主导地位，就必须从外部给工作物质提供能来能

4、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，称为粒子数的反转或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：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；半导体激光器采用注入载流子的方法。3.谐振腔※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“共振”现象。通常将能使光产生“共振”的装置称为“共振腔”或“谐振腔”。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外，只有与轴线平行的自发辐

5、射光子才能产生“共振”现象而被增强，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——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，这种振荡才是稳定的。产生稳定的振荡条件：共振腔的长度L恰好等于辐射光半波长的整数倍，即（3-9）式中，n为与波长λ相关的介

6、质折射率；m为正整数。对于不同的m值，将有不同波长的驻波相对应。通常将在共振腔内沿腔轴方向的各种可能的驻波叫做谐振腔的纵模。谐振腔的谐振频率或称纵模频率，即v=mc/2nL（3-10）纵模频率v只与腔体长度L及介质材料的折射率n有关。与其他参数无关。获得激光输出的3个必要条件为：①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；②要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗；③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法布里-珀罗腔在半导体激光器中，两端的解理面起到反射镜的作用。图3-24所示为不需外加反射镜的法布里—珀罗腔光学谐振腔。

7、图3-24法布里-珀罗光学谐振腔解理面作为反射镜的反射率为（3-11）式中，n′为增益介质的折射率，其典型值为3.5，解理面的反射率为30%。阈值增益——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。阈值电流——为达到阈值增益所要求的注入电流。设一振幅为E0，频率为ω，波数K=nω/c的平面波，在长度为L、功率增益系数为g的光腔中往返一次后，其振幅将增大到exp[(g/2)(2L)]倍，相位变化为2KL，考虑到激光器内的各种吸收和散射损耗及端面透