半導(dǎo)體激光器是什么?
半導(dǎo)體激光器是一種把電能轉(zhuǎn)換為光能的新型器件。1962年有人研究成功在液氮溫度下,正向偏置的砷化鎵PN結(jié)激光器。以后又研究成功了雙異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體激光器,使半導(dǎo)體激光器的性能有了進(jìn)一步的提高。半導(dǎo)體激光器具有體積小、牢固可靠、效率高可以直接由注入電流激勵或調(diào)制等優(yōu)點。它在光纖通訊、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。
一、什么叫激光
假設(shè)一個原子有兩個能量狀態(tài)E1和E2。處在E1的原子能量較低,我們稱它為基態(tài);處在E2的原子能量較高,稱為激發(fā)態(tài)。在通常情況下,大部分原子都處于能量較低的E1狀態(tài)。如果該原子受到光照,而且光波的頻率v與這兩個能量狀態(tài)的能量具有關(guān)系,那末,原子會吸收光子的能量從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài),這就是吸收過程。處在激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的,經(jīng)過一定時間后,它會從激發(fā)態(tài)回到基態(tài),同時放出一個能量為h的光子,這個過程稱為自發(fā)射。但也有可能發(fā)生另一種情況,當(dāng)原子還處在激發(fā)態(tài)時,又有一個能量為M的光子作用于它,這時,這個原子會受到光子的激勵立即從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)同時能放出兩個光子,這個過程稱為受激發(fā)射。我們注意到,受激發(fā)射所產(chǎn)生的光子是激勵后產(chǎn)生的,所以它的頻率、相位等都與激勵它的光子完全相同。
可以用一定的辦法使處在激發(fā)態(tài)的原子數(shù)比處在基態(tài)的原子數(shù)還要多。我們把處在這種情況下的系統(tǒng)分布稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。如果一束能量的光子作用于一個已經(jīng)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)上,那末,受激發(fā)射的過程將超過吸收過程。也就是說離開這個系統(tǒng)的、能量的光子將比進(jìn)入這個系統(tǒng)的光子多。這種現(xiàn)象稱為光量子放大。人們把受激發(fā)射光量子放大所產(chǎn)生的光稱為激光。與普通光相比,激光具有許多特殊的性質(zhì)。它是一種亮度極高,方向性和單色性很好的相干光輻射。
二、半導(dǎo)體激光器
與上述原理相似,利用半導(dǎo)體材料中的電子能級以及它們之間的躍遷發(fā)光,可以制成半導(dǎo)體激光器。用擴(kuò)散的方法形成PN結(jié),垂直于PN結(jié)的一對平行平面是光學(xué)平面,它們是利用砷化鎵材料兩個平行的解理面形成的,構(gòu)成所謂諧振腔,前后是兩個粗糙的平面在PN結(jié)上加正向偏壓,并且使正向偏壓足夠大。由于大量的少數(shù)載流子注入,在PN結(jié)的空間電荷區(qū)附近存在一個粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的區(qū)域,我們稱為“有源區(qū)”。一對平行的光學(xué)平面限制了部分光的透射。光在內(nèi)部來回反射,逐漸增強,最后形成激光輸出。粗糙表面的作用是使激光輸出限制在一個方向上。
半導(dǎo)體激光器的主要特性參數(shù)有閾值電流、功率效率、峰值發(fā)射波長和譜線寬度。閾值電流表示激光器產(chǎn)生激光所需的最小工作電流。功率效率表示輸出的光功率與注入的電功率之比。峰值發(fā)射波長是激光輻射強度最大處的波長。光譜線最大強度的一半所對應(yīng)的兩個波長之差稱為譜線寬度。
由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)稱為同質(zhì)結(jié)。由兩種不同材料構(gòu)成的PN結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)。為了提高半導(dǎo)體激光器的性能,已經(jīng)改進(jìn)和研制了不同結(jié)構(gòu)的激光器?,F(xiàn)在正在積極發(fā)展與研究適用于光纖通訊的長波長(工作波長為1.3微米和1.5微米)的雙異質(zhì)結(jié)激光器。制造在室溫下連續(xù)工作的長壽命半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體激光器研制的重要課題。隨著對激光器退化機理的研究以及材料和工藝的改進(jìn),半導(dǎo)體激光器將開拓更廣闊的道路。
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