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1、激光二極管參數(shù)與原理及應(yīng)用 2011-06-19 17:10:29 來源 :互聯(lián)網(wǎng) 、激光的產(chǎn)生機(jī)理 在講激光產(chǎn)生機(jī)理之前，先講一下受激輻射。在光輻射中存在三種輻射過程， 一時(shí)處于高能態(tài)的粒子在外來光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，稱之為自發(fā)輻射； 二是處于高能態(tài)的粒子在外來光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，稱之為受激輻射； 三是處于低能態(tài)的粒子吸收外來光的能量向高能態(tài)躍遷稱之為受激吸收。 自發(fā)輻射， 即使是兩個(gè)同時(shí)從某一高能態(tài)向低能態(tài)躍遷的粒子， 它們發(fā)出光的相位、 偏 振狀態(tài)、 發(fā)射方向也可能不同， 但受激輻射就不同， 當(dāng)位于高能態(tài)的粒子在外來光子的激發(fā) 下向低能態(tài)躍遷，發(fā)出在頻率、 相位、偏振狀態(tài)

2、等方面與外來光子完全相同的光。 在激光器 中，發(fā)生的輻射就是受激輻射，它發(fā)出的激光在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面完全一樣。任 何的受激發(fā)光系統(tǒng)， 即有受激輻射， 也有受激吸收，只有受激輻射占優(yōu)勢(shì)， 才能把外來光放 大而發(fā)出激光。 而一般光源中都是受激吸收占優(yōu)勢(shì)， 只有粒子的平衡態(tài)被打破， 使高能態(tài)的 粒子數(shù)大于低能態(tài)的粒子數(shù)（這樣情況稱為離子數(shù)反轉(zhuǎn)） ，才能發(fā)出激光。 產(chǎn)生激光的三個(gè)條件是： 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、 滿足閾值條件和諧振條件。 產(chǎn)生光的受激發(fā) 射的首要條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 在半導(dǎo)體中就是要把價(jià)帶內(nèi)的電子抽運(yùn)到導(dǎo)帶。 為了獲得離子 數(shù)反轉(zhuǎn)，通常采用重?fù)诫s的 P 型和 N 型材料構(gòu)成 PN

3、結(jié)，這樣，在外加電壓作用下，在結(jié) 區(qū)附近就出現(xiàn)了離子數(shù)反轉(zhuǎn)—在高費(fèi)米能級(jí) EFC 以下導(dǎo)帶中貯存著電子，而在低費(fèi)米能級(jí) EFV 以上的價(jià)帶中貯存著空穴。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件，但不是充分條件。 要產(chǎn)生激光， 還要有損耗極小的諧振腔， 諧振腔的主要部分是兩個(gè)互相平行的反射鏡， 激活 物質(zhì)所發(fā)出的受激輻射光在兩個(gè)反射鏡之間來回反射， 不斷引起新的受激輻射， 使其不斷被 放大。只有受激輻射放大的增益大于激光器內(nèi)的各種損耗，即滿足一定的閾值條件 : P1P2exp（2G - 2A） > 1 （P1、P2是兩個(gè)反射鏡的反射率， G是激活介質(zhì)的增益系數(shù)， A是介質(zhì)的損耗系數(shù)，exp 為常

4、數(shù)），才能輸出穩(wěn)定的激光，另一方面，激光在諧振腔內(nèi)來回反射，只有這些光束兩兩 之間在輸出端的相位差 =2q n q=1、2、3、4。。。。時(shí)，才能在輸出端產(chǎn)生加強(qiáng)干涉， 輸出穩(wěn)定激光。設(shè)諧振腔的長(zhǎng)度為 L,激活介質(zhì)的折射率為 N，則 △ ? = （2n / 入）2NL=4 n N（Lf/c）=2q n , 上式可化為 f=qc/2NL 該式稱為諧振條件，它表明諧振腔長(zhǎng)度 L 和折射率 N 確定以后， 只有 某些特定頻率的光才能形成光振蕩， 輸出穩(wěn)定的激光。 這說明諧振腔對(duì)輸出的激光有一定的 選頻作用。 二、激光二極管本質(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管，按照 PN 結(jié)材料是否相同，可以把激光二 極

5、管分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)（SH）、雙異質(zhì)結(jié)（DH ）和量子阱（QW）激光二極管。量子阱 激光二極管具有閾值電流低， 輸出功率高的優(yōu)點(diǎn) ，是目前市場(chǎng)應(yīng)用的主流產(chǎn)品。 同激光器相 比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但其輸出功率?。ㄒ话阈∮?2mW）， 線性差、單色性不太好， 使其在有線電視系統(tǒng)中的應(yīng)用受到很大限制， 不能傳輸多頻道，高 性能模擬信號(hào)。 在雙向光接收機(jī)的回傳模塊中， 上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為 光源。 半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖所示， 垂直于 PN 結(jié)面的一對(duì)平行平面構(gòu)成法布里— —珀羅諧振腔， 它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面， 也可以是經(jīng)過拋光的平面。

6、 其余兩側(cè)面則 相對(duì)粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。 半導(dǎo)體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復(fù)合。 當(dāng)半導(dǎo)體的 PN 結(jié)加有正向電壓時(shí)， 會(huì)削 弱 PN 結(jié)勢(shì)壘，迫使電子從 N 區(qū)經(jīng) PN 結(jié)注入 P 區(qū)，空穴從 P 區(qū)經(jīng)過 PN 結(jié)注入 N 區(qū)，這些 注入PN結(jié)附近的非平衡電子和空穴將會(huì)發(fā)生復(fù)合，從而發(fā)射出波長(zhǎng)為 入的光子，其公式如 下： 入=hc/Eg （1） 式中：h—普朗克常數(shù)； c—光速；Eg—半導(dǎo)體的禁帶寬度。 上述由于電子與空穴的自發(fā)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。 當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子 通過半導(dǎo)體時(shí)， 一旦經(jīng)過已發(fā)射的電子—空穴對(duì)附近，就能激勵(lì)二者復(fù)合， 產(chǎn)生

7、新光子，這 種光子誘使已激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。 如果注入電流足夠大， 則 會(huì)形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布， 即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情 況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射， 造成選頻諧振 正反饋，或者說對(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí)，就可從 PN 結(jié)發(fā)出具有良好 譜線的相干光——激光，這就是激光二極管的簡(jiǎn)單原理。 隨著技術(shù)和工藝的發(fā)展，目前實(shí)際使用的半導(dǎo)體激光二極管具有復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)。 常用的激光二極管有兩種：①PIN光電二極管。它在收到光功率產(chǎn)生光電流時(shí)，會(huì)帶來 量子噪聲。②雪崩光電二極管。

8、它能夠提供內(nèi)部放大 ，比PIN光電二極管的傳輸距離遠(yuǎn)，但 量子噪聲更大。 為了獲得良好的信噪比， 光檢測(cè)器件后面須連接低噪聲預(yù)放大器和主放大器。 半導(dǎo)體激光二極管的工作原理，理論上與氣體激光器相同。 激光二極管本質(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管， 按照 PN 結(jié)材料是否相同，可以把激光二極管 分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)（SH）、雙異質(zhì)結(jié)（DH）和量子阱（QW）激光二極管。量子阱激光 二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)，是目前市場(chǎng)應(yīng)用的主流產(chǎn)品。同激光器相比， 激光二極管具有效率高、體積小、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但其輸出功率?。ㄒ话阈∮?2mW）,線性 差、單色性不太好， 使其在有線電視系統(tǒng)中的應(yīng)用受到很大限

9、制， 不能傳輸多頻道，高性能 模擬信號(hào)。在雙向光接收機(jī)的回傳模塊中， 上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。 半導(dǎo)體激光二極管的常用參數(shù)有： （ 1）波長(zhǎng)：即激光管工作波長(zhǎng)，目前可作光電開關(guān)用的激光管波長(zhǎng)有 635nm 、 650nm 、 670nm、 690nm 、 780nm、 810nm、 860nm、 980nm 等。 （ 2）閾值電流 Ith ：即激光管開始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對(duì)一般小功率激光管而言， 其值約在數(shù)十毫安，具有應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至 10mA 以下。 （ 3）工作電流 Iop ：即激光管達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流，此值對(duì)于設(shè)計(jì)調(diào)試激 光驅(qū)動(dòng)電路較重要。 （4）垂直發(fā)散角B丄：激光二極管的發(fā)光帶在垂直 PN結(jié)方向張開的角度，一般在15?~40? 左右。 （5）水平發(fā)散角0 //:激光二極管的發(fā)光帶在與 PN結(jié)平行方向所張開的角度，一般 在 6?~ 10?左右。 （ 6）監(jiān)控電流 Im ：即激光管在額定輸出功率時(shí)，在 PIN 管上流過的電流。 激光二極管在計(jì)算機(jī)上的光盤驅(qū)動(dòng)器， 激光打印機(jī)中的打印頭等小功率光電設(shè)備中得到 了廣泛的應(yīng)用。 分享到： 編輯：神話 本文引用地址： http：// 3