半导体激光器的工作原理

根据固体的能带理论，半导体材料中电子的能级形成能带。高能量的为导带，低能量的为价带，两带被禁带分开。引入半导体的非平衡电子-空穴对复合时，把释放的能量以发光形式辐射出去，这就是载流子的复合发光。

一般所用的半导体材料有两大类，直接带隙材料和间接带隙材料，其中直接带隙半导体材料如GaAs（砷化镓）比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率，发光效率也高得多。

半导体复合发光达到受激发射（即产生激光）的必要条件是：①粒子数反转分布分别从P型侧和n型侧注入到有源区的载流子密度十分高时，占据导带电子态的电子数超过占据价带电子态的电子数，就形成了粒子数反转分布。②光的谐振腔在半导体激光器中，谐振腔由其两端的镜面组成，称为法布里一珀罗腔。③高增益用以补偿光损耗。谐振腔的光损耗主要是从反射面向外发射的损耗和介质的光吸收。

半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：

（1）要产生足够的 粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；

（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；

（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。

半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）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，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。

半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。

2 冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如说 10 ns(纳秒)，一般称作单个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用 t 表示。这种激光器可以发出一连串脉冲，比如，1 秒钟发出 10 个脉冲，或者有的就发出 一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复(频)率前者为 10，后者为 1，那么，1 秒钟发出 10 个脉冲，它的脉冲重复周期为 0.1 秒，而 1 秒钟发出 1 个脉冲，那么，它的脉冲重复周期为 1 秒，我们用 T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为 E， 那么 E/T 称作脉冲激光器的平均功率，这是在一个周期内的平均值。例如， E = 50 mJ(毫焦)， T = 0.1 秒， 那么， 平均功率 P平均 = 50 mJ/0.1 s = 500 mW。 如果用 E 除以 t，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰值功率(peak power)，例如，在前面的例子中 E = 50 mJ, t = 10 ns, P峰值 = 50 ×10^(-3)/[10×10^(-9)] = 5×10^6 W = 5 MW(兆瓦)，由于脉冲宽度 t 很小，它的峰值功率很大。脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间T=1s/2k=？秒 平均功率P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P峰值功率=E/t

激光的分类： 激光按波段分，可分为可见光、红外、紫外、X光、多波长可调谐 ，目前工业用红外及紫外激光。例如CO2激光器10.64um红外

3 激光, 氪灯泵浦YAG激光器1.064um红外激光, 氙灯泵浦YAG激光器1.064um红外激光, 半导体侧面/端面泵浦激光器1.064um红外激光。 激光器的种类分，可分为固体、气体、液体、半导体和染料等几种类型： （ 1 ）固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。如：Nd:YAG激光器。Nd（钕）是一种稀土元素，YAG代表钇铝石榴石，晶体结构与红宝石相似。 （ 2 ）半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，所以发展迅速。 （ 3 ）气体激光器以气体为工作物质(主要为惰性气体)，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、 *** 作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。 （ 4 ）以液体染料为工作物质的染料激光器于 1966 年问世，广泛应用于各种科学研究领域。现在已发现的能产生激光的染料，大约在 500 种左右。这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它们还可以包含在有机塑料中以固态出现，或升华为蒸汽，以气态形式出现。所以染料激光器也称为 “ 液体激光器 ” 。染料激光器的突出特点是波长连续可调。燃料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光

4 化学、医疗和农业。 （ 5 ）红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。 （ 6 ） X 射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导d武器中具有优势；生物学家用 X 射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能 用 X 射线激光拍摄分子结构的照片 , 所得到的生物分子像的对比度很高。 （ 7 ）化学激光器 有些化学反应产生足够多的高能原子，就可以释放出大能量，可用来产生激光作用。 （ 8 ）自由电子激光器 这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射。它的工作机制与众不同，它从加速中获得几千万伏高能调整电子束，经周期磁场，形成不同能态的能级，产生受激辐射。 光分为可见光和不可见光:是根据人的肉眼是否能看到来划分的。光的可见与不可见与光（或者说电磁波，光就是电磁波）的波长有关系，人眼能看到的电磁波的波长范围是400nm到760nm，400nm左右的是紫色光，小于这个波长的人眼就看不到了，是紫外线。760nm附件的是红色光，波长大于这个范围，人眼也感觉不到也就是红外线。

5波长为380—780nm的电磁波为可见光。可见光透过三棱镜可以呈现出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的光谱。红色光波最长，640—780nm；紫色光波最短，380—430nm。 红640—780nm 橙640—610nm 黄610—530nm 绿505—525nm 蓝505—470nm 紫470—380nm 肉眼看得见的是电磁波中很短的一段，从0.4-0.76微米这部分称为可见光。可见光经三棱镜分光后，成为一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的光带，这光带称为光谱。其中红光波长最长，紫光波长最短，其它各色光的波长则依次介于其间。波长长于红光的(>0.76微米)有红外线有无线电波；波长短于紫色光的(<0.4微米)有紫外线 常见的可见光有:

红光、紫光

6 常用的是：红外和紫外，红外的如：YAG灯泵浦，CO2，半导体侧面/端面泵浦，光纤 激光依据释放能量的方式可分为：连续和脉冲激光，连续激光是以稳定、连续的光束释放出能量，如二氧化碳、CW光纤激光器。脉冲激光的能量是以脉冲的形式释放的，即激光能量在一个固定的（也有可调节的）时间内（脉冲宽度）释放出来（称为一个脉冲），而每个脉冲之间的时间是可控的，依据脉冲宽度，此类激光又可分为长脉冲激光（脉宽为毫秒级）和短脉冲激光（脉宽为纳秒级），近年又出现了皮秒激光(1皮秒等于一万亿分之一秒(10E-12秒)。激光脉冲:指的是脉冲工作方式的激光器发出的一个光脉冲，简单的说，好比手电筒的工作一样，一直合上按钮就是连续工作，合上开关立刻又关掉就是发出了一个“光脉冲”

听我娓娓道来.

首先,激光的英文叫Laser light amplification by stimulated emission of radiation.就是通过受激发射实现光放大.

光通过谐振腔的选模作用和增益介质的放大作用,经过震荡和放大,实现拥有单色性、准直性、相干性非常好的光束,这个就是激光.

激光器有很多种类型,但他的必要组成部分无外乎：谐振腔、增益介质、泵浦源.

形成激光的一个重要条件是,粒子数反转,就是导带的粒子数密度大于价带（半导体）或高能级的粒子数密度大于低能级（气体或固体）,激光的现象就是在这样一种偏离了平衡态的稳态.

半导体激光器比起固体激光器和气体激光器,结构上还是有很大区别的.半导体激光器一般是三层或多层异质结结构,这样由于折射率的的内大外小自然构成了光约束,又由于异质结结构形成的量子井结构（最早的半导体激光器不是量子井结构的,随着MBE的半导体加工技术的应用,单井和多井结构得以实现）,对载流子形成了约束,使受激发射大都发生在增益介质的带边,这样就大大提高了激光器的效率.半导体激光器是电泵浦的,不同于气体激光器或固体激光器的光泵浦.

半导体激光器的工作过程是这样的,由于外加电场的作用,载流子开始移动,由于量子井的存在,载流子开始在量子井中堆积,然后一部分导带的电子会自发跃迁回价带放出一个能量等于带隙宽度（band gap）的光子,这个过程叫自发发射,一部分自发发射的光子会被吸收,再放出两个光子,这个过程叫受激发射,这样自发发射的光子成为了最初的泵浦光,然后不断的发生受激发射,受激发射的光子会在增益介质中不断震荡,不断的使更多的光子受激发射出来,当外加电场强度达到粒子数反转所需强度之后一段时间,便会有稳定的激光输出了.

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这个过程当中有很多很多细节问题,不明白可以问我.

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