半导体激光器的原理|特性

　　半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。

半导体激光器的原理

　　半导体激光器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-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。

半导体激光器工作特性

　　1、阈值电流：

　　当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。影响阈值的几个因素：

　　①晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。

　　②谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。

　　③与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。目前，室温下同质结的阈值电流大于30000A/cm2;单异质结约为8000A/cm2;双异质结约为1600A/cm2。现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。

　　④温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光器Z好在低温和室温下工作。

　　2、方向性：

　　由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角Zda，可达20°-30°;在结的水平面内约为10°左右。

　　3、效率：

　　量子效率：η=每秒发射的光子数/每秒到达结区的电子空穴对数;77K时，半导体激光器量子效率达70%-80%;300K时，降到30%左右。

　　功率效率η1=辐射的光功率/加在激光器上的电功率;由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的η1Zgao10%，只有在低温下才能达到30%-40%。

　　4、光谱特性：

　　由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带(导带与价带)之间，所以激光线宽较宽，半导体激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。

半导体激光器与其他激光器的区别

　　工作原理上，半导体激光器和其他激光器并无区别，而要实现实际辐射光放大，则需满足粒子数反转和原子分子阈值条件，即高能带的粒子数多于低能带，同时反转数产生的增益又大于损耗。因此半导体激光器和其他激光器的区别主要反映在能级上，例如气体固体激光器是依赖于其分离能级间的跃迁。而半导体激光器依赖于一种晶体结构构造的能带间跃迁，即导带和价带的跃迁。