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半导体激光器产生激光的条件

2024-12-10 10:41:43
阅读:559次

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半导体激光器是激光器中的一个大类,半导体激光器是怎么产生激光的呢?

今天为大家介绍半导体激光器的相关知识。


半导体激光器产生激光的条件(图1)

 

半导体激光器的发展

 

一、早期发展阶段

20世纪60年代初期,第一代半导体激光器是同质结型,它们只能以脉冲形式工作,并且需要在低温条件下操作。这些设备是在单一材料上制造的pn结二极管,在正向大电流注入下实现了载流子分布的反转并产生了激光。

 

二、异质结构激光器阶段

到了1969年,单异质结构(SH)激光器问世,它使用了两种不同带隙的半导体材料,如GaAs和GaAlAs,这使得阈值电流密度大幅降低。但是,这类激光器仍然无法在室温下连续工作。

 

三、双异质结激光器阶段

1970年,实现了能在室温下连续工作的双异质结(DH)GaAs-GaAlAs激光器。这种结构显著提高了性能,拓宽了可用波段,并改善了线宽和调谐性能。

 

四、量子阱激光器阶段

1978年,随着分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)等技术的进步,出现了第一个半导体量子阱激光器(QWL)。这些激光器利用超薄层中的量子效应来提高性能,具有更低的阈值电流、更高的输出功率和其他优点。

 

五、高功率和短波长扩展阶段

从20世纪70年代末开始,半导体激光器明显地朝两个方向发展——信息型激光器和功率型激光器。前者专注于数据传输,而后者则追求更高的光功率。同时,激光波长逐渐从红外扩展到可见光区域,包括红光、蓝绿光乃至紫光和紫外光。

 

六、面发射激光器和垂直腔面发射激光器(VCSELs)阶段

20世纪90年代末,面发射激光器和VCSELs迅速发展,特别是在千兆位以太网等高速网络应用中得到实用化。VCSELs的特点是低阈值电流、良好的方向性和耦合效率,以及通过阵列化可以获得较强的光功率输出。

 

七、现代进展与未来趋势

近年来,半导体激光器继续朝着更高效、更稳定、更高功率的方向发展,同时也不断探索新的波长范围和技术,比如可调谐激光器、分布反馈式激光器(DFB-LD)、分布布拉格反射式激光器(DBR-LD),以及用于特定波长范围内的量子级联激光器(QCL)。此外,对于低维结构(如量子线和量子点)的研究也在加速进行,旨在进一步优化激光器的性能。

 

半导体激光器产生激光的条件

 

半导体激光器产生激光输出的基本条件主要包括以下几点:

 

1、粒子数反转分布:

在半导体材料中,需要形成高能态(导带)的电子数量大于低能态(价带)的空穴数量的状态,即粒子数反转。这是通过从P型和n型侧注入大量载流子到有源区来实现的,使得占据导带电子态的电子数超过占据价带电子态的电子数。

 

2、合适的谐振腔:

半导体激光器内部需要有一个能够提供反馈机制的光学谐振腔,通常是由两个平行且高度反射的镜面组成,称为法布里-珀罗腔。这个谐振腔允许光在其中来回反射,从而增强特定频率的光,促进受激发射过程的发生,并最终形成激光振荡。

 

3、满足阈值条件:

为了确保激光器可以稳定地工作并持续输出激光,必须达到或超过某个最小的增益水平,以补偿谐振腔内的所有损耗(如反射损失、介质吸收等)。这被称为阈值条件。当注入电流足够强时,产生的增益足以克服这些损耗,激光器便开始发射激光。

 

4、高增益以补偿光损耗:

谐振腔内的光损耗主要是由反射面向外发射以及介质本身的光吸收造成的。为了维持激光输出,需要有足够的光增益来抵消这些损耗。增益是通过注入更多的载流子(即提高电流密度)来增加的。

 

5、受激辐射:

当上述条件都满足后,处于高能态的电子会跃迁回低能态,并在这个过程中释放出与入射光子同频、同相、同方向的新光子,这就是所谓的受激辐射。随着更多光子被创造出来并在谐振腔内反复反射,它们将继续刺激其他高能态电子发生跃迁,最终导致强烈的相干光——即激光——从半反镜片输出。

 

目前,半导体激光器应用非常广泛,在通信领域、医疗领域、工业加工领域,都能够看到半导体激光器的身影。

 

深圳中为检验是专业激光产品检测和认证机构,长期为国内客户提供激光器检测服务,服务内容包括了激光器性能参数测试和激光器安全等级认证,检测产品覆盖半导体激光器、光纤激光器、固体激光器、气体激光器等多种激光器产品的检测。

 

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