一、激光的產生機理
在講激光產生機理之前,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,即使是兩個同時從某一高能態(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)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,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,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),才能發(fā)出激光。
產生激光的三個條件是:實現(xiàn)粒子數(shù)反轉、滿足閾值條件和諧振條件。產生光的受激發(fā)射的首要條件是粒子數(shù)反轉,在半導體中就是要把價帶內的電子抽運到導帶。為了獲得離子數(shù)反轉,通常采用重摻雜的P型和N型材料構成PN結,這樣,在外加電壓作用下,在結區(qū)附近就出現(xiàn)了離子數(shù)反轉—在高費米能級EFC以下導帶中貯存著電子,而在低費米能級EFV以上的價帶中貯存著空穴。實現(xiàn)粒子數(shù)反轉是產生激光的必要條件,但不是充分條件。要產生激光,還要有損耗極小的諧振腔,諧振腔的主要部分是兩個互相平行的反射鏡,激活物質所發(fā)出的受激輻射光在兩個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的各種損耗,即滿足一定的閾值條件:
P1P2exp(2G - 2A) ≥ 1
(P1、P2是兩個反射鏡的反射率,G是激活介質的增益系數(shù),A是介質的損耗系數(shù),exp為常數(shù)),才能輸出穩(wěn)定的激光,另一方面,激光在諧振腔內來回反射,只有這些光束兩兩之間在輸出端的相位差Δф =2qπ q=1、2、3、4。。。。時,才能在輸出端產生加強干涉,輸出穩(wěn)定激光。設諧振腔的長度為L,激活介質的折射率為N,則
Δф=(2π/λ)2NL=4πN(Lf/c)=2qπ,
上式可化為f=qc/2NL該式稱為諧振條件,它表明諧振腔長度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。這說明諧振腔對輸出的激光有一定的選頻作用。
二、激光二極管本質上是一個半導體二極管,按照PN結材料是否相同,可以把激光二極管分為同質結、單異質結(SH)、雙異質結(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,是目前市場應用的主流產品。同激光器相比,激光二極管具有效率高、體積小、壽命長的優(yōu)點,但其輸出功率小(一般小于2mW),線性差、單色性不太好,使其在有線電視系統(tǒng)中的應用受到很大限制,不能傳輸多頻道,高性能模擬信號。在雙向光接收機的回傳模塊中,上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。
半導體激光二極管的基本結構如圖所示,垂直于PN結面的一對平行平面構成法布里——珀羅諧振腔,它們可以是半導體晶體的解理面,也可以是經(jīng)過拋光的平面。其余兩側面則相對粗糙,用以消除主方向外其它方向的激光作用。
半導體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復合。當半導體的PN結加有正向電壓時,會削弱PN結勢壘,迫使電子從N區(qū)經(jīng)PN結注入P區(qū),空穴從P區(qū)經(jīng)過PN結注入N區(qū),這些注入PN結附近的非平衡電子和空穴將會發(fā)生復合,從而發(fā)射出波長為λ的光子,其公式如下:
λ = hc/Eg (1)
式中:h—普朗克常數(shù); c—光速; Eg—半導體的禁帶寬度。
上述由于電子與空穴的自發(fā)復合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當自發(fā)輻射所產生的光子通過半導體時,一旦經(jīng)過已發(fā)射的電子—空穴對附近,就能激勵二者復合,產生新光子,這種光子誘使已激發(fā)的載流子復合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大,則會形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布,即粒子數(shù)反轉。當有源層內的載流子在大量反轉情況下,少量自發(fā)輻射產生的光子由于諧振腔兩端面往復反射而產生感應輻射,造成選頻諧振正反饋,或者說對某一頻率具有增益。當增益大于吸收損耗時,就可從PN結發(fā)出具有良好譜線的相干光——激光,這就是激光二極管的簡單原理。
隨著技術和工藝的發(fā)展,目前實際使用的半導體激光二極管具有復雜的多層結構。
常用的激光二極管有兩種:①PIN光電二極管。它在收到光功率產生光電流時,會帶來量子噪聲。②雪崩光電二極管。它能夠提供內部放大,比PIN光電二極管的傳輸距離遠,但量子噪聲更大。為了獲得良好的信噪比,光檢測器件后面須連接低噪聲預放大器和主放大器。
半導體激光二極管的工作原理,理論上與氣體激光器相同。
激光二極管本質上是一個半導體二極管,按照PN結材料是否相同,可以把激光二極管分為同質結、單異質結(SH)、雙異質結(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,是目前市場應用的主流產品。同激光器相比,激光二極管具有效率高、體積小、壽命長的優(yōu)點,但其輸出功率小(一般小于2mW),線性差、單色性不太好,使其在有線電視系統(tǒng)中的應用受到很大限制,不能傳輸多頻道,高性能模擬信號。在雙向光接收機的回傳模塊中,上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。
半導體激光二極管的常用參數(shù)有:
(1)波長:即激光管工作波長,目前可作光電開關用的激光管波長有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。
(2)閾值電流Ith :即激光管開始產生激光振蕩的電流,對一般小功率激光管而言,其值約在數(shù)十毫安,具有應變多量子阱結構的激光管閾值電流可低至10mA以下。
(3)工作電流Iop :即激光管達到額定輸出功率時的驅動電流,此值對于設計調試激光驅動電路較重要。
(4)垂直發(fā)散角θ⊥:激光二極管的發(fā)光帶在垂直PN結方向張開的角度,一般在15?~40?左右。
(5)水平發(fā)散角θ∥:激光二極管的發(fā)光帶在與PN結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,在PIN管上流過的電流。
激光二極管在計算機上的光盤驅動器,激光打印機中的打印頭等小功率光電設備中得到了廣泛的應用。
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