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1、第 5章 固 體 激 光 器王 春 雨 材 料 學 院 A202室 0631-5687125E-mail: wcyadam (WANG Chunyu)哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學 （ 威 海 ） 材 料 科 學 與 工 程 學 院 固 體 激 光 器紅 寶 石 激 光 器 YAG激 光 器工 作 物 質(zhì) Al2O3 Cr2O3； Cr3 決 定 光 譜 性 能 Al2O3 Y2O3 Nd2O3； Nd3 決 定 光 譜 性 能物 理 過 程 三 能 級 系 統(tǒng) 四 能 級 系 統(tǒng)激 光 譜 線 0.6943m+0.6929m； 0.6943m占 優(yōu)勢 1.35m +1.06m； 一 般 只產(chǎn)

2、生 1.06m泵 浦 源 脈 沖 氙 燈 氪 燈由 于 固 體 激 光 器 的 工 作 物 質(zhì) 是 絕 緣 晶 體 ， 所 以 一 般 用 光 泵 浦 源 激 勵 泵 浦 特 點 *泵 浦 燈 和 激 光 棒 分 別 位 于 橢 圓 聚 光 腔 的 兩 條 焦 線 上*泵 浦 光 源 中 僅 有 少 部 分 與 工 作 物 質(zhì) 吸 收 帶 相 匹 配 的 光 能 是 有 用 的 。優(yōu) 缺 點 閾 值 高 、 溫 度 效 應 非 常 嚴 重 、 室 溫 下 不 適于 連 續(xù) 和 高 重 復 率 工 作 閾 值 低 、 有 優(yōu) 良 的 熱 學 性 質(zhì) 、適 于 連 續(xù) 和 高 重 復 率 工 作

3、； 是目 前 能 在 室 溫 下 連 續(xù) 工 作 的 唯一 實 用 的 固 體 工 作 物 質(zhì)輸 出 特 性 大 多 數(shù) 為 脈 沖 激 光 器 ， 產(chǎn) 生 的 激 光 脈 沖 是 一 系 列 的 尖 峰 ， 寬 度 約 為 幾 個 微 米轉(zhuǎn) 換 效 率 低 (總 體 效 率 ： 激 光 輸 出 與 泵 浦 源 的 電 輸 入 之 比 )總 體 效 率 大 概 為 0.5%-1% 1%-3%特 點 輸 出 能 量 大 ； 峰 值 功 率 高 ； 5.1.1 固 體 激 光 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 與 工 作 物 質(zhì)1.固 體 激 光 器 基 本 上 都 是 由 工 作 物 質(zhì) 、 泵 浦 系

4、統(tǒng) 、 諧 振 腔 和 冷 卻 、 濾 光 系 統(tǒng) 構(gòu) 成的 。 圖 5-1是 長 脈 沖 固 體 激 光 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 (冷 卻 、 濾 光 系 統(tǒng) 未 畫 出 )。 圖 5-1 固 體 激 光 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 5.1.1 固 體 激 光 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 與 工 作 物 質(zhì)2.紅 寶 石 激 光 器 圖 (5-3) 紅 寶 石 中 鉻 離 子 的 能 級 結(jié) 構(gòu) 5.1.1 固 體 激 光 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 與 工 作 物 質(zhì)3.摻 釹 釔 鋁 石 榴 石 (Nd3 ： YAG) 工 作 物 質(zhì) :將 一 定 比 例 的 A12O3、

5、Y2O3， 和 Nd2O3在 單 晶 爐 中 進 行 熔 化 結(jié) 晶 而成 的 ， 呈 淡 紫 色 。 它 的 激 活 粒 子 是 釹 離 子 (Nd3 )， YAG中 Nd3 與 激 光 產(chǎn) 生 有關(guān) 的 能 級 結(jié) 構(gòu) 如 圖 (5-5)所 示 。 它 屬 于 四 能 級 系 統(tǒng) 。 圖 (5-5) Nd3 :YAG 的 能 級 結(jié) 構(gòu) 5.1.2 固 體 激 光 器 的 泵 浦 系 統(tǒng)1. 固 體 激 光 工 作 物 質(zhì) 是 絕 緣 晶 體 ， 一 般 都 采 用 光 泵 浦 激 勵 。 泵 浦 光 源 應 當 滿 足 兩個 基 本 條 件 。2. 常 用 的 泵 浦 燈 在 空 間 的

6、 輻 射 都 是 全 方 位 的 ， 因 而 固 體 工 作 物 質(zhì) 一 般 都 加 工 成 圓柱 棒 形 狀 ， 所 以 為 了 將 泵 浦 燈 發(fā) 出 的 光 能 完 全 聚 到 工 作 物 質(zhì) 上 ， 必 須 采 用 聚 光 腔 。 3.圖 (5-6)所 示 的 橢 圓 柱 聚 光 腔 是 小 型 固 體 激 光 器 中 最 常 采 用 的 聚 光 腔 ， 它 的 內(nèi) 表面 被 拋 光 成 鏡 面 ， 其 橫 截 面 是 一 個 橢 圓 。 圖 (5-6) 橢 圓 柱 聚 光 腔4. 固 體 激 光 器 的 泵 浦 系 統(tǒng) 還 要 冷 卻 和 濾 光 。常 用 的 冷 卻 方 式 有 液

7、 體 冷 卻 、 氣 體 冷 卻 和傳 導 冷 卻 等 ， 其 中 以 液 冷 最 為 普 遍 。 5.泵 浦 燈 和 工 作 物 質(zhì) 之 間 插 入 濾 光 器 件 濾去 泵 浦 光 中 的 紫 外 光 譜 。 5.1.3 固 體 激 光 器 的 輸 出 特 性1. 固 體 激 光 器 的 激 光 脈 沖 特 性 2. 轉(zhuǎn) 換 效 率 總 體 效 率 定 義 為 激 光 輸 出 與 泵 浦 燈 的 電 輸 入 之 比 。 對 于 連 續(xù) 激 光 器 (用 功 率描 述 )和 脈 沖 激 光 器 (用 能 量 描 述 )分 別 表 示 為 ： couabcLpinthinoutt PPPP 1

8、211 couabcLpinthinoutt EEEE 1211 一 般 的 脈 沖 固 體 激 光 器 產(chǎn) 生 的 激 光 脈 沖 是 由 一 連 串 不 規(guī) 則 振 蕩 的 短 脈 沖 (或稱 尖 峰 )組 成 的 ， 各 個 短 脈 沖 的 持 續(xù) 時 間 約 為 (0.11)m， 各 短 脈 沖 之 間 的 間 隔約 為 (510) s。 泵 浦 光 愈 強 ， 短 脈 沖 數(shù) 目 愈 多 ， 其 包 絡 峰 值 并 不 增 加 。 5.1.4 新 型 固 體 激 光 器1. 半導體激光器泵浦的固體激光器 圖 (5-7) 半 導 體 激 光 器 泵 浦 固 體 激 光 器 的 結(jié) 構(gòu)

9、示 意 圖2. 可調(diào)諧固體激光器 半 導 體 激 光 器 泵 浦 固 體 激 光 器 與 閃 光 燈 泵 浦 固 體 激 光 器 相 比 有 其 主 要 優(yōu) 點 半 導 體 激 光 器 泵 浦 固 體 激 光 器 的 結(jié) 構(gòu) ， 有 如 圖 (5-7)(a)所 示 的 端 泵 浦 方 式 和圖 (5-7)(b)所 示 的 側(cè) 泵 浦 方 式 。 可 調(diào) 諧 固 體 激 光 器 主 要 有 兩 類 ， 一 類 是 色 心 激 光 器 ， 一 類 是 用 摻 過 渡 族 金 屬離 子 的 激 光 晶 體 制 作 的 可 調(diào) 諧 激 光 器 。 5.1.4 新 型 固 體 激 光 器3. 高功率固體

10、激光器 高 功 率 固 體 激 光 器 主 要 是 指 輸 出 平 均 功 率 在 幾 百 瓦 以 上 的 各 種 連 續(xù) 、 準 連 續(xù)及 脈 沖 固 體 激 光 器 ， 它 一 直 是 軍 事 應 用 和 激 光 加 工 應 用 所 追 求 的 目 標 。 從 二 十 世 紀 七 十 年 代 起 開 始 研 制 的 板 條 形 固 體 激 光 器 ， 就 是 針 對 克 服 工 作 物質(zhì) 中 的 熱 分 布 及 其 引 起 的 一 系 列 如 折 射 率 分 布 、 應 力 雙 折 射 等 固 有 矛 盾 而 提出 的 一 種 結(jié) 構(gòu) 方 案 ， 其 結(jié) 構(gòu) 如 圖 (5-8)所 示 。

11、圖 (5-8) 板 條 形 固 體 激 光 器 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 第 八 講 半 導 體 激 光 器 （ 一 ） 主 要 內(nèi) 容 半 導 體 激 光 器 的 工 作 原 理 半 導 體 激 光 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 半 導 體 激 光 器 工 作 原 理 半 導 體 激 光 器 是 向 半 導 體 PN結(jié) 注 入 電 流 ， 實 現(xiàn) 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 分布 ， 產(chǎn) 生 受 激 輻 射 ， 并 利 用 光 學諧 振 腔 的 正 反 饋 實 現(xiàn) 光 放 大 而 產(chǎn)生 激 光 。 半 導 體 激 光 器 工 作 原 理 光 與 物 質(zhì) 相 互 作 用 的 三 種 基 本 方式 粒 子 數(shù) 反

12、轉(zhuǎn) 分 布 激 光 振 蕩 和 光 學 諧 振 腔 光 與 物 質(zhì) 相 互 作 用 的 三 種 基 本 方 式 自 發(fā) 輻 射 無 外 界 激 勵 而 高 能 級 電子 自 發(fā) 躍 遷 到 低 能 級 ， 同 時 釋 放 出 光子 。 受 激 輻 射 高 能 級 電 子 受 到 外 來 光作 用 ， 被 迫 躍 遷 到 低 能 級 ， 同 時 釋 放出 光 子 ， 且 產(chǎn) 生 的 新 光 子 與 外 來 激 勵光 子 同 頻 同 方 向 ， 為 相 干 光 。 受 激 吸 收 低 能 級 電 子 在 外 來 光 作用 下 吸 收 光 能 量 而 躍 遷 到 高 能 級 。 E2 E1 E2 E

13、1 hf12 hf12 hf12 hf12 初 態(tài) 終 態(tài) (b)自 發(fā) 輻 射 (c)受 激 輻 射(a)受 激 吸 收 能 級 與 電 子 躍 遷 示 意 圖 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 分 布 設 在 單 位 物 質(zhì) 中 低 能 級 電 子 數(shù) 和高 能 級 電 子 數(shù) 分 別 為 N1和 N2物 質(zhì) 在 正常 狀 態(tài) 下 N1 N2， 受 激 吸 收 與 受 激 輻射 的 速 率 分 別 比 例 于 N1和 N2且 比 例 系數(shù) 相 等 ， 此 時 光 通 過 該 物 質(zhì) 時 ， 光 強會 衰 減 ， 物 質(zhì) 為 吸 收 物 質(zhì) 。 若 N2 N1，受 激 吸 收 小 于 受 激 輻 射 ，

14、光 通 過 該 物質(zhì) 時 ， 光 強 會 放 大 ， 該 物 質(zhì) 成 為 激 活物 質(zhì) 。 N2 N1的 分 布 與 正 常 狀 態(tài) 相 反 ，故 稱 為 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 分 布 。 半 導 體 的 能 帶 和 電 子 分 布 能 量 價 帶價 帶Eg EfEf/2Ef/2 Eg EfEeEv E vEe Eg Ef EeEv(a)本 征 半 導 體 (b)N型 半 導 體 (c)P型 半 導 體空 穴 電 子 能 帶 電 子 所 處 的 能 態(tài) 擴 展 成 的 連 續(xù) 分 布 的 能 級 。 價 帶 能 量 低 的 能 帶 。 導 帶 能 量 高 的 能 帶 。 禁 帶 Eg導 帶 底

15、的 能 量 Ee 和 價 帶 頂 能 量 Ev間 的 能 量 差 在 熱 平 衡 狀 態(tài) 下 ， 能 量 為 E的 能 級 被 電 子 占 據(jù) 的 概 率 為 費 米 分 布 費 米 能 級 用 于 描 述 半 導 體 中 各 能 級 被 電 子 占 據(jù) 的 狀 態(tài) ， 在費 米 能 級 ， 被 電 子 占 據(jù) 和 空 穴 占 據(jù) 的 概 率 相 同 。 在 本 征 半 導 體 中 ， 位 于 禁 帶 中 央 ； N型 半 導 體 中 增 大 ； 在 P型 半 導 體 中 減 小 。exp1 1)( KTEEEP f fE fEfE PN結(jié) 的 能 帶 和 電 子 分 布 PN結(jié) 空間 電場

16、區(qū)P區(qū) N區(qū)+ + + + + + Ef能 量 EePEVP EeNEVNP區(qū) N區(qū)EVPEeP EeNEVNEfNEfP hf hf PN結(jié) 界 面 上 由 于 多 數(shù) 載 流 子 擴 散 運動 形 成 內(nèi) 部 空 間 電 場 區(qū) ， 該 電 場 導 致 載流 子 的 漂 移 運 動 ， 無 外 加 電 壓 時 ， 兩 種運 動 處 于 平 衡 狀 態(tài) ， 能 帶 發(fā) 生 傾 斜 。 當外 加 正 向 電 壓 時 ， 內(nèi) 部 電 場 被 削 弱 ， 擴散 運 動 加 強 ， 能 帶 傾 斜 減 小 ， 在 PN結(jié) 形成 一 個 增 益 區(qū) （ 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 分 布 區(qū) ） 可產(chǎn) 生 自

17、 發(fā) 輻 射 。 光 學 諧 振 腔 光 學 諧 振 腔 由 兩 個 反 射 率 分 別 為 R1和 R2的 平 行 反 射 鏡 構(gòu) 成 。 腔 內(nèi) 物 質(zhì) 具 備 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn)分 布 ， 可 用 其 產(chǎn) 生 的 自 發(fā) 輻 射 光 作 入 射 光 ， 經(jīng)反 射 鏡 反 射 沿 軸 線 方 向 傳 播 的 光 被 放 大 ， 沿 非軸 線 方 向 傳 播 的 光 被 減 弱 ， 反 射 光 經(jīng) 反 射 鏡 多次 反 射 不 斷 被 放 大 ， 方 向 性 不 斷 改 善 ， 使 增 益大 幅 度 提 高 。 激 光 振 蕩 激 活 物 質(zhì) 在 被 置 于 光 學 諧 振 腔 后 ， 能

18、對 光 的 頻 率 和 方向 進 行 選 擇 ， 可 獲 得 連 續(xù) 的 光 放 大 和 激 光 振 蕩 輸 出 激光 起 振 閾 值 條 件 ： 腔 內(nèi) 增 益 與 損 耗 相 當 時 開 始 建 立 穩(wěn)定 的 激 光 振 蕩 ， 閾 值 條 件 為 ： 是 閾 值 增 益 系 數(shù) ； 是 諧 振 腔 內(nèi) 激 活 物 質(zhì) 的 損 耗 系 數(shù) ； 為 諧 振 腔 長 度 激 光 振 蕩 的 相 位 條 件 為 ： 或 nqL 2 nLL 2 L RRht 2 )1ln( 21 htL 半 導 體 激 光 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu)同 質(zhì) 結(jié)單 異 質(zhì) 結(jié) （ LH）雙 異 質(zhì) 結(jié) （ DH） 雙

19、異 質(zhì) 結(jié) （ DH)LD的 結(jié) 構(gòu)限 制 層 GayAl1-yAs有 源 層 GaAs限 制 層 Ga XAl1-XAsGaAs襯 底 光 輻 射 金 屬 接 觸 雙 異 質(zhì) 結(jié) （ DH)LD的 工 作 原 理 示 意 圖P GayAl1-yAs P GaAs N GaXAl1-XAsE能量N折射率P光功率 電 子復 合異 質(zhì) 勢 壘空 穴 5% +(b)(a)(d)(c) 雙 異 質(zhì) 結(jié) （ DH)LD的 工 作 原 理 雙 異 質(zhì) 結(jié) （ DH)LD由 三 層 不 同 類 型 的 半導 體 材 料 構(gòu) 成 ， 不 同 材 料 發(fā) 不 同 的 波長 。 結(jié) 構(gòu) 中 間 一 層 窄 帶 隙

20、 P型 半 導 體為 有 源 層 ， 兩 側(cè) 分 別 為 寬 帶 隙 的 P型和 N型 半 導 體 是 限 制 層 ， 三 層 半 導 體置 于 基 片 上 ， 前 后 兩 個 晶 體 解 理 面 為反 射 鏡 構(gòu) 成 諧 振 腔 。 光 從 有 源 層 沿 垂直 于 PN結(jié) 的 方 向 射 出 。 5.4 半 導 體 激 光 器 以 半 導 體 材 料 為 工 作 物 質(zhì) 的 激 光 器 稱 為 半 導 體 激 光 器 。 其 特 點 為 超 小 型 、 高 效 率 、 低成 本 、 工 作 速 度 快 和 波 長 范 圍 寬 等 。 它 是 激 光 光 纖 通 信 的 重 要 光 源 。

21、目 前 在 光 存 儲 、 激 光高 速 印 刷 、 全 息 照 相 、 激 光 準 直 、 測 距 及 醫(yī) 療 等 許 多 方 面 廣 泛 應 用 。 而 在 光 信 息 處 理 、 光計 算 機 和 固 體 激 光 器 泵 浦 等 方 面 卻 正 是 方 興 未 艾 。 自 1962年 半 導 體 砷 化 嫁 （ GaAs） 同 質(zhì) 結(jié) 激 光 器 問 世 后 ， 半 導 體 從 同 質(zhì) 結(jié) 、 單 異 質(zhì) 結(jié) 、雙 異 質(zhì) 結(jié) 到 半 導 體 激 光 器 陣 列 ， 波 長 范 圍 履 蓋 了 可 見 光 到 長 波 紅 外 ， 逐 漸 地 成 為 現(xiàn) 代 激光 器 件 中 的 應 用

22、面 最 廣 、 發(fā) 展 最 為 迅 速 的 一 種 重 要 器 件 類 型 。 同 以 氣 體 或 固 體 作 為 工 作 物 質(zhì) 的 激 光 器 一 樣 ， 欲 使 半 導 體 材 料 產(chǎn) 生 激 光 ， 同 樣 要 使 半導 體 材 料 中 電 子 能 態(tài) 發(fā) 生 變 化 ， 以 形 成 一 定 的 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) ， 并 且 要 有 一 個 合 適 的 光 學 共振 腔 。 但 是 ， 由 于 半 導 體 材 料 中 電 子 運 動 的 特 殊 性 半 導 體 激 光 器 又 有 著 許 多 不 同 于 氣 體 和固 體 激 光 器 的 特 性 。 因 此 ， 要 深 入 了 解 半

23、 導 體 激 光 器 的 特 性 和 原 理 ， 我 們 必 須 先 了 解 有 關(guān)半 導 體 材 料 的 一 些 理 論 基 礎 。 5.4.1 半 導 體 的 能 帶 和 產(chǎn) 生 受 激 輻 射 的 條 件 一 、 有 關(guān) 半 導 體 的 基 礎 知 識 1 能 帶 構(gòu) 成 半 導 體 激 光 器 的 工 作 物 質(zhì) 是 半 導 體 晶 體 。 在 半 導 體 晶 體 中 ， 電 子 的 運 動 狀 態(tài) 和 單個 原 子 時 的 情 況 大 不 相 同 ， 尤 其 是 其 外 層 電 子 有 了 明 顯 的 變 化 ， 即 所 謂 的 “ 共 有 化 運 動 ” 。 量 子 力 學 證 明

24、 ： 當 N個 原 子 相 接 近 形 成 晶 體 時 ， 由 于 共 有 化 運 動 ， 原 來 單 個 原 子 中 每一 個 允 許 能 級 要 分 裂 成 N個 與 原 來 能 級 很 接 近 的 新 能 級 。 在 實 際 的 晶 體 中 ， 由 于 原 子 數(shù) 目N非 常 大 ， 新 能 級 又 與 原 來 能 級 非 常 接 近 ， 所 以 兩 個 新 能 級 間 距 離 很 小 （ 相 互 間 的 能 級 差為 10-22） ， 幾 乎 可 把 這 一 段 能 級 看 作 是 連 續(xù) 的 。 我 們 便 把 這 N個 能 級 所 具 有 的 能 量 范 圍稱 為 “ 能 帶 ”

25、。 不 同 的 能 帶 之 間 可 以 有 一 定 的 能 量 間 隔 ， 在 這 個 間 隔 范 圍 內(nèi) 電 子 不 能 處 于穩(wěn) 定 狀 態(tài) ， 實 際 上 形 成 一 個 能 級 禁 區(qū) ， 稱 為 “ 禁 帶 ” 。 此 間 距 用 禁 帶 寬 度 E v來 衡 量 。 下圖 說 明 了 原 子 中 子 軌 道 、 能 級 及 能 帶 之 間 的 對 應 關(guān) 系 。 圖 (5-23) 固 體 的 能 帶 圖 (5-23) 固 體 的 能 帶 圖 (5-24) 本 征 半 導 體 的 能 帶 在 晶 體 中 ， 由 價 電 子 能 級 分 裂 而 成 的 能 帶 叫 做 “ 價 帶 ”

26、， 如 某 一 能 帶 被 電 子 填滿 ， 則 稱 之 為 “ 滿 帶 ” ， 而 在 未 激 發(fā) 情 況 下 無 電 子 填 入 的 能 帶 叫 做 “ 空 帶 ， 若 價 帶中 的 電 子 受 激 而 進 入 空 帶 ， 則 此 空 帶 稱 為 “ 導 帶 ” ， 同 時 ， 價 帶 上 由 于 價 電 子 激 發(fā)到 導 帶 后 留 下 一 些 空 著 的 能 級 稱 為 “ 空 穴 ” 。 “ 價 帶 ” 和 “ 導 帶 ” 之 間 是 “ 禁 帶 ” 。 在 純 凈 的 、 不 含 雜 質(zhì) 的 半 導 體 中 ， 由 于 熱 運 動 而 產(chǎn) 生 的 自 由 電 子 和 空 穴 數(shù) 量

27、 很 少 。 這時 ， 半 導 體 是 一 個 不 導 電 的 絕 緣 體 。 但 如 果 半 導 體 中 摻 入 雜 質(zhì) ， 情 況 就 不 同 了 。 如 四 價 半導 體 中 摻 入 五 價 半 導 體 ， 就 會 在 導 帶 下 形 成 雜 質(zhì) 能 級 。 雜 質(zhì) 能 級 上 電 子 很 容 易 轉(zhuǎn) 移 至 導 帶上 去 ， 這 種 雜 質(zhì) 稱 為 施 主 。 摻 施 主 雜 質(zhì) 的 半 導 體 稱 為 電 子 型 半 導 體 或 N型 半 導 體 。 而 如 果我 們 在 四 價 半 導 體 中 摻 入 三 價 元 素 ， 則 會 在 價 帶 上 方 形 成 受 主 雜 質(zhì) 能 級

28、， 價 帶 上 的 電 子 可跑 到 受 主 能 級 上 去 ， 從 而 在 價 帶 上 產(chǎn) 生 許 多 空 穴 。 這 種 半 導 體 稱 為 空 穴 型 半 導 體 或 P型 半導 體 。 2 電 子 和 空 穴 的 統(tǒng) 計 分 布 統(tǒng) 計 物 理 學 指 出 ： 熱 平 衡 時 ， 電 子 在 能 帶 中 的 分 布 不 再 服 從 玻 爾 茲 曼 分 布 ， 而 服 從 費米 分 布 ， 一 個 電 子 占 據(jù) 能 量 為 E的 能 級 的 幾 率 為1( ) 1Fn E EkTf E e 由 上 式 可 見 ， 對 于 某 一 溫 度 T， 能 級 E上 的 電 子 占 據(jù) 率 唯

29、一 地 由 費 米 能 級 EF所 確 定 ，因 此 可 以 把 EF視 作 電 子 填 充 能 級 水 平 的 一 把 “ 尺 子 ” 。3.雜 質(zhì) 半 導 體 中 費 米 能 級 的 位 置 與 雜 質(zhì) 類 型 及 摻 雜 濃 度 有 密 切 關(guān) 系 。 為 了 說 明 問題 ， 圖 (5-25)給 出 了 溫 度 極 低 時 的 情 況 。 圖 (5-25) 費 米 能 級 的 位 置 與 雜 質(zhì) 類 型 及 摻 雜 濃 度 關(guān) 系 圖 (5-25) 費 米 能 級 的 位 置 與 雜 質(zhì) 類 型 及 摻 雜 濃 度 關(guān) 系 在 未 摻 雜 質(zhì) 的 本 征 型 半 導 體 中 ， 費 米

30、 能 級 居 于 禁 帶 中 央 ， 導 帶 內(nèi) 的 電 子 或 價 帶 內(nèi)的 空 穴 是 非 簡 并 化 分 布 (圖 a)。 在 輕 摻 雜 P型 半 導 體 中 ， 受 主 能 級 使 費 米 能 級 向 下 移 動 (圖 b);輕 摻 雜 N型 半 導 體 中 ，施 主 能 級 使 費 米 能 級 向 上 移 動 (圖 d); 在 重 摻 雜 P型 半 導 體 中 ， 費 米 能 級 向 下 移 到 價 帶 中 ， 低 于 費 米 能 級 的 能 帶 被 電 子 填滿 ， 高 于 費 米 能 級 的 能 態(tài) 都 是 空 的 ， 導 帶 中 出 現(xiàn) 空 穴 P型 簡 并 半 導 體 (圖

31、 c); 在 重 摻 雜 N型 半 導 體 中 ， 費 米 能 級 向 上 移 到 導 帶 中 ， 低 于 費 米 能 級 的 能 帶 被 電 子 填滿 ， 高 于 費 米 能 級 的 能 態(tài) 都 是 空 的 ， 導 帶 中 也 有 自 由 電 子 N型 簡 并 半 導 體 (圖 e); 雙 簡 并 半 導 體 半 導 體 中 存 在 兩 個 費 米 能 級 。 (圖 f );兩 個 費 米 能 級 使 得 導 帶 中 有 自 由 電 子 ； 價 帶 中 有 空 穴 。 4.在 半 導 體 中 產(chǎn) 生 光 放 大 的 條 件 是 在 半 導 體 中 存 在 雙 簡 并 能 帶 (圖 ae )中

32、 的 情 況 都 只 有 一 個 費 米 能 級 ， 在 它 上 面 沒 有 有 自 由 電 子 ， 在 它 下 面 已 經(jīng) 被電 子 充 滿 ， 不 可 能 發(fā) 生 電 子 躍 遷 ， 只 能 將 外 來 光 子 吸 收 。 (圖 f )中 的 情 況 都 只 有 兩 費 米 能 級 ， 導 帶 有 自 由 電 子 ， 價 帶 中 有空 穴 ， 當 入 射 光 的 頻 率 滿 足 gFF EhEE 時 ， 外 來 光 子 會 誘 導 導 帶 中 的 自 由 電 子 向 價 帶 空 穴 躍 遷 而 發(fā) 出一 個 同 樣 的 光 子 。 5.4.2 PN結(jié) 和 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 在 熱 平 衡

33、 系 統(tǒng) 中 (圖 ae )中 的 情 況 都 只 有 一 個 費 米 能 級 不 能 產(chǎn) 生 光 放 大 。 把 P型和 N型 半 導 體 制 作 在 一 起 ， 是 否 可 能 在 結(jié) 區(qū) 產(chǎn) 生 兩 個 費 米 能 級 呢 ？ 一 、 P-N結(jié)的雙簡并能帶結(jié)構(gòu) 如 果 我 們 設 法 使 一 塊 完 整 的 半 導 體 一 邊 是 N型 ， 而 另 一 邊 是 P型 ， 則 在 接 合 處 形 成 P N結(jié) 。 未 加 電 場 時 ， 由 于 電 子 和 空 穴 的 擴 散 作 用 ， 在 P N 結(jié) 的 交 界 面 兩 側(cè) 形 成 空 間 電 荷區(qū) ， 生 產(chǎn) 自 建 場 ， 其 電

34、場 方 向 自 N區(qū) 指 向 P區(qū) 。 引 起 漂 移 運 動 ， 當 擴 散 運 動 和 漂 移 運動 達 到 熱 平 衡 時 ， P區(qū) 和 N區(qū) 的 費 米 能 級 必 然 達 到 同 一 水 平 。 這 時 ， 在 P區(qū) 和 N區(qū) 分 別 出 現(xiàn) P型 簡 并 區(qū) 和 N型 簡 并 區(qū) ， P區(qū) 的 價 帶 頂 充 滿 了 空 穴 ， N區(qū) 的 導 帶 底 充 滿 了 電 子 。 在 結(jié) 區(qū) 造 成 了 能 帶 的 彎 曲 。自 建 場 的 作 用 ， 形 成 了 接 觸 電 位 差 VD叫 做 P N 結(jié) 的 勢 壘 高 度 。 P區(qū) 所 有 能 級 上 的 電子 都 有 了 附 加

35、位 能 ， 它 等 于 勢 壘 高 度 VD 乘 以 電 子 電 荷 e（ VDe） 圖 (5-26) PN能 帶 當 給 P N 結(jié) 加 以 正 向 電 壓 V時 ， 如 圖 （ 5-27） 所 示 ， 原 來 的 自 建 場 將 被 削 弱 ， 勢 壘 降低 ， 破 壞 了 原 來 的 平 衡 ， 引 起 多 數(shù) 載 流 子 流 入 對 方 ， 使 得 兩 邊 的 少 數(shù) 載 流 子 比 平 衡 時 增 加了 ， 這 些 增 加 的 少 數(shù) 載 流 子 稱 為 “ 非 平 衡 載 流 子 ” 。 這 種 現(xiàn) 象 叫 做 “ 載 流 子 注 入 ” 。 此 時結(jié) 區(qū) 的 統(tǒng) 一 費 米 能

36、級 不 復 存 在 ， 行 成 結(jié) 區(qū) 的 兩 個 費 米 能 級 EF+和 EF-， 稱 為 準 費 米 能 級 。 它們 分 別 描 述 空 穴 和 電 子 的 分 布 。 在 結(jié) 區(qū) 的 一 個 很 薄 的 作 用 區(qū) ， 形 成 了 雙 簡 并 能 帶 結(jié) 構(gòu) 。圖 (5-27) 正 向 電 壓 V時 形 成 的 雙 簡 并 能 帶 結(jié) 構(gòu)二 、 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 二 、 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn) 生 受 激 輻 射 的 條 件 是 在 結(jié) 區(qū) 的 導 帶 底 部 和 價 帶 頂 部 形 成粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 分 布 。 圖 (5-26) PN能 帶 圖 (5-27) 正 向 電 壓 V時 形 成 的

37、雙 簡 并 能 帶 結(jié) 構(gòu) 粒 子 數(shù) 就 是 載 流 子 數(shù) 。 正 常 情 況 下 ， 電 子 總 是 從 低 能 態(tài) 的 價 帶 填 充 起 ， 填 滿 價 帶 后 才填 充 導 帶 。 如 果 我 們 能 利 用 光 或 電 注 入 的 辦 法 ， 便 在 P N 附 近 夠 成 大 量 的 非 平 衡 載 流 子 ，在 此 其 復 合 壽 命 更 短 的 時 間 內(nèi) 電 子 在 導 帶 、 空 穴 在 價 帶 分 別 達 到 暫 時 的 平 衡 ， 則 在 這 一段 時 間 內(nèi) 簡 并 化 分 布 的 導 帶 電 子 和 價 帶 空 穴 就 處 于 相 對 反 轉(zhuǎn) 分 布 的 狀 態(tài)

38、 。 對 于 重 摻 雜 的 GaAs P N 結(jié) ， 在 P N 結(jié) 的 附 近 ， 導 帶 中 有 電 子 而 價 帶 中 有 空 穴 ，這 一 小 段 區(qū) 域 稱 為 “ 作 用 區(qū) ” 。 如 果 電 子 從 導 帶 中 向 價 帶 中 躍 遷 ， 則 將 釋 放 光 子 ， 并在 諧 振 腔 的 反 饋 作 用 下 ， 產(chǎn) 生 受 激 輻 射 。 當 然 ， 價 帶 中 的 電 子 也 可 能 在 光 子 的 激 發(fā) 下躍 遷 到 導 帶 中 ， 即 所 謂 受 激 吸 收 ， 而 要 產(chǎn) 生 激 光 輸 出 自 然 要 求 受 激 發(fā) 射 光 子 的 速 率 大于 受 激 吸 收

39、光 子 的 速 率 。 考 慮 激 光 器 工 作 在 連 續(xù) 發(fā) 光 的 動 平 衡 狀 態(tài) ， 導 帶 底 電 子 的 占 據(jù) 幾 率 可 以 用 N 區(qū) 的 費米 能 級 來 計 算 22 1( ) 1FN E EkTf E e 價 帶 頂 空 穴 的 占 據(jù) 幾 率 可 以 用 P區(qū) 的 準 費 米 能 級 來 計 算 11 1( ) 1FP E EkTf E e 價 帶 頂 電 子 占 據(jù) 幾 率 則 為 11 1 1( ) 1 ( ) 1FN P E EkTf E f E e 在 結(jié) 區(qū) 導 帶 底 和 價 帶 頂 實 現(xiàn) 粒 子 （ 電 子 ） 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 的 條 件 是 gFF

40、NN EEEEEEfEf 1212 )()(此 式 便 是 同 質(zhì) 結(jié) 半 導 體 激 光 器 的 載 流 子 反 轉(zhuǎn) 分 布 條 件 。 其 物 理 意 義 是 ： （ 1） 工 作 區(qū) 中 導 帶 能 級 的 電 子 占 有 幾 率 大 于 價 帶 能 級 中 的 電 子 占 有 幾 率 。 （ 2） 因 為 發(fā) 射 的 光 子 能 量 基 本 等 于 禁 帶 寬 度 Eg， 因 而 要 求 (E-F) 一 (E+F) Eg， 而 P N 結(jié) 兩 邊 的 PP型 和 NN型 半 導 體 都 必 須 高 摻 雜 ， 從 而 使 電 子 和 空 穴 的 準 費 米 能 級 分 別 進 入 導帶

41、 和 價 帶 。（ 3） 所 加 的 正 向 偏 壓 必 須 滿 足 eEe EEV gFF 圖 (5-28) GaAs激 光 器 的 結(jié) 構(gòu) 5.4.3 半 導 體 激 光 器 的 工 作 原 理 和 閾 值 條 件 一 、 半導體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 圖 (5-28)示 出 了 GaAs激 光 器 的 結(jié) 構(gòu) 。 圖 (5-28b)是 臺 面 形 管 芯 激 光 器 的 外 形 結(jié) 構(gòu) ， 管 芯 的 形 狀 有 長 方 形 ， 臺 面 形 ,電 極 條 形 等 多 種 ， 圖 (5-28a) 的 管 芯 形 狀 是 長 方 形 ， P N 結(jié) 的 厚 度 僅 幾 十 微 米 ， 一

42、 般 是 在 N型 GaAs襯 底 上 生 長 一 薄 層 P型 GaAs 而 形 成 P N 結(jié) 。 激 光 器 的 諧 振 腔 一 般 是 直 接 利 用 垂 直 于 P N 結(jié) 的 兩 個 端 面 ， 由 于 GaAs的 折 射 率n 3.6， 所 以 對 于 垂 直 于 端 面 的 光 的 反 射 率 為 32%。 為 了 提 高 輸 出 功 率 和 降 低 工 作電 流 ， 一 般 使 其 中 一 個 反 射 面 鍍 金 反 膜 。 二 、 半導體激光器工作的閾值條件 激 光 器 產(chǎn) 生 激 光 的 前 提 條 件 除 了 粒 子 數(shù) 發(fā) 生 反 轉(zhuǎn) 還 需 要 滿 足 閾 值 條

43、件 21ln21 rrLaG 內(nèi) 工 作 物 質(zhì) 實 現(xiàn) 了 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 后 ， 光 在 諧 振 腔 內(nèi) 傳 播 時 便 有 增 益 ， 但 能 否 有 效 地 形 成 激光 振 蕩 ， 還 與 腔 內(nèi) 損 耗 有 關(guān) 。 只 有 在 增 益 恰 等 于 損 耗 時 才 能 滿 足 振 蕩 的 閾 值 要 求 。這 說 明 半 導 體 激 光 器 的 增 益 不 僅 要 大 于 零 ， 還 必 須 達 到 某 一 數(shù) 值 才 能 形 成 激 光 。 ftcnfAcnG 復 合22 222 212 88 t復 合 結(jié) 區(qū) 電 子 壽 命 t復 合 =1/A21 n粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 值增

44、 益 系 數(shù) 和 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 的 關(guān) 系 也 取 決 于 諧 振 腔 內(nèi) 的 工 作 物 質(zhì) 三 、半導體激光器的閾值電流 三 、半導體激光器的閾值電流 在 一 定 的 時 間 間 隔 內(nèi) ， 注 入 激 光 器 的 電 子 總 數(shù) 與 同 樣 時 間 內(nèi) 發(fā) 生 的 電 子 與 空穴 復 合 數(shù) 相 等 而 達 到 平 衡 22221 2122222 222 212 8ln21 )( ln21888 c edrrLaJ f rrLaG JedfcGftcnfAcnG eItnLwd 內(nèi)閾 內(nèi)復 合復 合 當 正 向 電 流 密 度 J達 到 閾 值 J閾 后 形 成 激 光 。 數(shù)

45、值 例 ： GaAs P N 結(jié) 激 光 器 2 1216 A/cm150 m2 35.3 cm40ln21 MHz103 閾總 Jd rrLav 5.4.4 同 質(zhì) 結(jié) 和 異 質(zhì) 結(jié) 半 導 體 激 光 器 1.伏安特性: 與 二 極 管 相 同 ， 也 具 有 單 向 導 電 性 ， 如 圖 (5 29)所 示 。 一 、 同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性 圖 (5-29) GaAs激 光 器 的 伏 安 特 性 2.閾值電流密度: 影 響 閾 值 的 因 素 很 多 22221 8ln21 c vedvrrLaJ 內(nèi)閾 顯 然 ， 降 低 J閾 的 值 是 提 高 半 導 體 水

46、平 的 關(guān) 鍵 ， 經(jīng) 研 究 人 們 發(fā) 現(xiàn) J閾 與 以 下 因 素 有 關(guān) ： （ 1） 與 激 光 器 的 具 體 結(jié) 構(gòu) 及 制 備 工 藝 有 密 切 關(guān) 系 ， 不 同 器 件 a總 值 差 異 很 大 ； （ 2） J閾 1/L， 即 閾 值 電 流 密 度 與 腔 長 L成 反 比 ； （ 3） J閾 與 工 作 溫 度 的 關(guān) 系 十 分 密 切 ； （ 4） J閾 與 反 射 率 r1r2有 關(guān) ， 通 常 兩 個 反 射 面 都 是 天 然 解 理 面 ， 故 r1 =r2 =0.32。 當 腔 長轉(zhuǎn) 短 時 ， 若 1 2L比 a總 小 或 接 近 ， 一 個 端 面

47、 鍍 金 反 膜 會 使 J閾 明 顯 降 低 ， 但 當 腔 長 L較 長 時 ， J閾 的 降 低 就 不 很 明 顯 了 。 3.方向性: 圖 (5-30)給 出 了 半 導 體 激 光 束 的 空 間 分 布 示 意 圖 。 圖 (5-30) 激 光 束 的 空 間 分 布 示 意 圖 4.光 譜 特 性 :圖 (5-31)是 GaAs激 光 器的 發(fā) 射 光 譜 。 其 中 圖 (a)是 低 于 閾 值 時 的 熒光 光 譜 ， 譜 寬 一 般 為 幾 百 埃 ， 圖 (b)是 注 入電 流 達 到 或 大 于 閾 值 時 的 激 光 光 譜 ， 譜 寬達 幾 十 埃 。 因 為 半

48、 導 體 激 光 器 的 諧 振 腔 短 小 ,所 以激 光 束 的 方 向 性 較 之 其 他 典 型 的 激 光 器 要差 很 多 。 而 且 由 于 有 源 區(qū) 厚 度 很 薄 ,有 源 區(qū)的 條 寬 比 厚 度 大 很 多 倍 ,所 以 在 垂 直 于 結(jié) 的方 向 和 平 行 于 結(jié) 均 方 向 的 光 束 發(fā) 散 角 是 不對 稱 的 ,前 者 要 大 數(shù) 倍 。 GaAs的 激 射 光 譜 線 寬 比 固 體 和 氣 體 激 光 器 要 寬 。 這 是 因 為 半 導 體 產(chǎn) 生 激 光 時 ,粒 子 反轉(zhuǎn) 分 布 并 不 是 在 兩 個 分 立 的 能 級 之 間 ,而 是 在

49、 導 帶 和 價 帶 之 內(nèi) 。 每 個 能 帶 都 包 含 了 許 多 級 ,這 就 使 復 合 發(fā) 光 的 光 子 能 量 有 一 個 較 寬 的 能 量 范 圍 。 由 于 增 益 譜 線 寬 ,其 發(fā) 射 光 譜 的 單 色性 就 要 差 一 些 。 實 際 的 激 光 器 發(fā) 射 光 譜 的 結(jié) 構(gòu) 是 很 復 雜 的 ,光 譜 寬 度 隨 注 入 電 流 增 加 而 變 寬 ,一般 可 從 零 點 幾 納 米 到 幾 納 米 范 圍 內(nèi) 變 化 。 同 時 ,半 導 體 激 光 器 的 光 譜 隨 溫 度 而 變 化 。當 溫 度 升 高 時 ,激 光 的 峰 值 波 長 向 長

50、波 方 向 移 動 。 對 GaAs同 質(zhì) 結(jié) 器 件 ,峰 值 波 長 在77K時 為 0.84um,300K時 為 0.902um。 外 微 分 量 子 效 率 D : Vii Peii hPeii hPP ththDththD )()()( )( 功 率 效 率 P :功 率 效 率 定 義 為 激 光 器 的 輸 出 功 率 與 輸 入 電 功 率 之 比 2P SPiV i R 5 轉(zhuǎn) 換 效 率 半 導 體 激 光 器 所 用 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 常 用 “ 功 率 效 率 ” 和 “ 量 子 效 率 ” 來 度 量 。P輸 出 功 率 Pth 閾 值 發(fā) 射 光 功 率 hv發(fā)

51、射 光 子 能 量 i正 向 電 流 ith 正 向 閾 值 電 流 e電 子 電 量 V正 向 偏 壓 RS激 光 器 串 聯(lián) 內(nèi) 阻 一 般 同 質(zhì) 結(jié) 激 光 器 在 室 溫 下 的 功 率 效 率 僅 有 百 分 之 幾 。 為 了 提 高 功 率 效 率 應 盡 可 能 減小 內(nèi) 阻 。 二 、 異質(zhì)結(jié)半導體激光器 理 論 分 析 及 實 驗 研 究 表 明 ， 同 質(zhì) 結(jié) 激 光 器 難 以 得 到 低 閾 值 電 流 和 實 現(xiàn) 室 溫 連 續(xù) 工 作 。為 此 ,在 同 質(zhì) 結(jié) 的 基 礎 上 發(fā) 展 了 異 質(zhì) 結(jié) 半 導 體 激 光 器 ,從 而 大 大 提 高 了 半 導

52、 體 激 光 器 的 實 際應 用 價 值 。 1.異 質(zhì) 結(jié) 及 其 特 點 如 圖 （ 5-32） 所 示 ,對 于 GaAs類 半 導 體 激 光 器 ,由 同 種 材 料 GaAs構(gòu) 成 的 p-n結(jié) 即 為 同質(zhì) 結(jié) 。 若 一 側(cè) 為 GaAs,而 另 一 側(cè) 為 GaAlAs所 構(gòu) 成 的 結(jié) 為 異 質(zhì) 結(jié) , 若 個 半 導 體 激 光 器 僅 有 一個 異 質(zhì) 結(jié) 則 稱 為 單 異 質(zhì) 結(jié) (SH)激 光 器 ,兩 個 異 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 為 雙 異 質(zhì) 結(jié) (DH)激 光 器 。 圖 (5-32) 同 質(zhì) 結(jié) 、 異 質(zhì) 結(jié) 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖從 提 高 半 導 體 激 光

53、 器 的 性 能 要 求 出 發(fā) ,對 異 質(zhì) 結(jié) 兩 側(cè) 的 材 料 有 如 下 技 術(shù) 要 求 : (1)要 求 兩 種 材 料 的 晶 格 常 數(shù) 盡 可 能 相 等 ,若 在 結(jié) 合 的 界 面 處 有 缺 陷 ,載 流 子 將 在 界 面處 復 合 掉 ,不 能 起 到 有 效 的 注 入 、 放 大 和 發(fā) 光 的 作 用 ;(2)為 了 獲 得 較 高 的 發(fā) 光 效 率 ,要 求 GaAlAs材 料 是 豎 直 躍 遷 型 的 ;(3)為 了 獲 得 高 勢 壘 ,要 求 兩 種 材 料 的 禁 帶 寬 度 有 較 大 的 差 值 。 Thank you for your attention!