（b）受激辐射：受激发射出的光子频率，相位和方向都与入射光子h 相同。 （c）受激吸收：原子接收辐射能 h 从基态能级E1越入受激能级E2。 产生激光的必要条件：受激辐射占主导地位
自发辐射的特点
这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频 率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。
而其中的 s(dP/dI) 定义为斜率效率：
s
(I
Pex Ith)Vb
在实际测量中， s 由下式得出
s
P2 I2
P1 I1
半导体激光器的空间模式
分为空间模和纵模（轴模），空间 模是描述围绕着输出光束轴线附近 某处的光强分布，亦称为远场分布。 有横模和侧模之分。纵模是一种频 谱，表示所发射的光束功率在不同 频率分量上的分布。
锁模相当于使谱线的振幅及相位相关。锁模的分类： 主动锁模：周期性调制谐振腔的损耗或光程n 被动锁模：利用可饱和吸收体的非线性吸收特性，对腔内激光 的吸收是随光场强度而变化的 自锁模：激活介质本身的非线性效应能够保持各个纵模频率的 等间隔分布，并有确定的初相位关系 同步泵浦锁模：周期性调制谐振腔的增益
半导体激光器的模谱
半导体激光器在不同工作电流下的模谱
观察可知，激光能量向主模转移，峰值波长发生红移
半导体激光器的特性
转换效率高：>70%。 体积小：<1mm3 寿命长，可达数十万小时 输出波长范围广：0.6-1.1um，2~3um。 易调制：直接调制 缺点：发散角大，光束质量差。
阈值特性
E2
hv
E1
E2
hv
hv
E1
受激辐射示意图
粒子数反转
在热平衡状态下，粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律：
N2 N1
g g1 2ex p(E [2E1)kT ]
k为玻耳兹曼常数，N2、g2和N1、g1分别为高能态E2和低能态E1的粒子数 和统计权重。由于E2>E1，T>0，故N1>N2 ，即高能态上的粒子总少于低 能态上的粒子数。于是原子系统的受激吸收过程总占优势。采用适当的激励， 破坏热平衡状态，使高能态粒子数多于低能态粒子数，即为粒子束反转。
L m( )
2n
纵模：共振腔内沿腔轴方向形成的各种可 能的驻波称为谐振腔的纵模
激光器稳定工作的条件
稳定工作时，平面波在腔内往返一次强度E0保持不变，有：
E 0 ex g)p L R 1 R 2 ( e xin L p )e t (i x 2 K p ) E L 0 (
g为功率增益系数，L为腔长，K=nw/c为平面波的波数，αint为腔内总损耗率
半导体激光器原理及应用
姓名：徐钦锋 学号：20164208084
CONTENTS
目 录
1 半导体激光器工作原理 2 半导体激光器的主要性能 3 密集波分复用半导体激光器 4 半导体激光器的应用
自发辐射与受激辐射
（a）自发辐射：hvE2E1 特点：独立、杂乱无章的非相干光、寿命取决于半 导体禁带宽度及复合中心密度等，一般为10-9~10-3 量级
半导体激光器横模与侧模
有多侧模的半导体激光器的近场和远场
纵模谱的影响因素
可见，若要选频，就要控制温度，要稳定功率输出， 也要选择恒温控制
半导体激光器的光束发散角
半导体激光器的远场并非严格的高斯光束，有较大 的且在横向和侧向不对称光束发散角。由于半导体 激光器有缘层较薄，因而在横向有较大的发散角ө
T0是一个由实T验0 拟合的参数，称为特征温度。
容易看出，当
时，阈值电流将不随温度变化，故提高T0是一个重要的研究
内容。阈值电流对温度的依赖关系主要来自于下列因素：
1）增益系数
2）载流子的俄歇复合，载流子的界面态和表面态的复合，载流子的吸收引起的
内部损耗
半导体激光器的效率
描述激光器电子--光子转换的效率，即电能转换为光能的效率。
半导体激光器通过光激励或正向PN结注入等，来实现载流子的粒子束反 转。
谐振腔
为使发射光具有激光的特点，必须使其产 生谐振。能使光产生共振的装置即为谐振腔。
只有与轴线平行的辐射光子产生共振现象 而被增强，不在这个方向上的将被反射出腔 外。
两相反方向的光波，只有叠加形成驻波时， 才能形成稳定的振荡。驻波条件：
例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电出五颜六色的光彩。
受激辐射
激发态的原子，受到某一外来光子的作用，而且外来光子
的能量恰好满足hv=E2-E1，原子就有可能从激发态E2跃迁 至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态 的光子。这一过程被称为受激辐射
将等式两边的振幅和相位分别相等，得：
gint21LlnR(11R2)
2K L2m
vvmm/c2nL
两个公式前者规定了增益和电流的最小值，后者规定激光器的振荡频 率——纵向模式，其与光学谐振腔有关
法布里-珀罗光学谐振腔
激光器稳定工作条件
激光器纵模分布及增益曲线
激光束的锁模： 锁模技术就是采用一定的调制方法，使激光振荡不同频率各纵 模之间有确定的相位关系，即各纵模相邻频率间隔相等。在一 般谐振腔内，处于激光介质的增益大于谐振腔损耗频率范围内 的纵模有几百个。在频域范畴内，激光辐射由许多纵模间隔为 C/2L 的谱线组成。这些模彼此互不相关地进行振荡，其相位随 机地分布在一π 到十π 之间。其时域输出特征类似热噪声。但 是，如果迫使振荡模彼此之间的相位关系保持固定，那么激光 输出将以完全确定的形式变化。此时，我们说激光是锁模或锁 相的。
阈值是所有激光器 的属性，标志着增 益与损耗的平衡点。
温度的影响
温度变化对阈值电流产生明显的影响，温度升高，阈值电流增大，增大幅度因 材料体系和器件结构而异。实验经验公式为：
J th (T ) J th (T r)ex T p T t)/( T 0 ) (
Jth（T）和Jth（Tr）分别为在某一温度T和室温Tr下所测得阈值电流密度，
分别用功率效率和外微分量子效率描述。
1）功率效率
p激 激光 光器 器所 所消 发耗 射 IV 的 的 P eIx2rs电 光 (I功 功 Eg/P e率 率 e)xI2rs
外微分量子效率
外微分量子效率定义为输出光子数随注入的电子数增加的比率，
考虑到hv=Eg=eVb,有
D
dP/hvdP1 dI/e dIVb