其工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成.
七、半导体激光器的应用
信息存储 与处理
军事 应用
半导体激光器的应用
半导体激光器又称为半导体激光二
极管，或简称激光二极管，英文缩写为
LD
(Laser Diode)，是实用中最重要
的一类激光器 。
缺点：半导体激光器当然也有它的缺点:激光性能受温度影响大,光束的发散角
半导体激光器的基本特性
激光工作物质：直接带隙半Байду номын сангаас体材料------砷化稼(GaAs)、
砷化铟(InAs)、铝稼砷(A1xGaAs)、铟磷砷 (InPxAs)等等
谐振腔：半导体介质的自然解理面
构成平行平面腔
泵浦源：通常采用电压很低的
直流电源
三个基本条件
建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能 量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒 子数反转，必须使处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数 大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注入必要的载流子 来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子 数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。
器的频率也就随着改变
实际情况
• 由于有两个腔存在,波长要同时满足两个腔的谐振条件很困难,还要满足光栅的衍射条件 所以用普通的FP激光二极管+衍射光栅做成的外腔激光器虽然单模线宽很窄,但是能以 单模工作的波长小范围只是许多个很窄的小区域,并且十分难寻找，其它区域都是跳模 或者多模方式,严重影响了调谐性能,激光器甚至会以脉冲方式工作，其实内腔对线宽压 窄没有太大意义,一般的外腔激光器都使用专门的一面镀了增透膜(反射率<0.005%)的 激光二极管做泵浦，这样相当于只有高反膜和衍射光栅之间的一个谐振腔起作用，使 用衍射光栅形成外腔反馈后半导体激光器的线宽被压窄至数百kHz的量级,并且激光器 工作非常稳定,能满足大多数包括原子物理在内的科学实验的要求。
IBM公司的江崎(L.ESaki)和朱兆祥首先开始的能带工程造就的量子阱激光器以及 应变量子阱激光器
六、半导体激光器的优点
转换效率高：半导体激光器是直接的电子--光子转换器,因而它的转换效率很高。 覆盖的波段范围广：可以通过选用不同的半导体激光器有源材料或改变多
元 化合物半导体各组元的组分,而得到范围很广的激射波长以满足不同的需要。
半导体激光器的波长调谐特性
改变腔长,或者半导体介质的折射率,或者改变增益曲线的位 置,就能对激光器波长进行调谐，通常通过改变温度和电流来达 到这个目的。 温度对波长的调谐
禁带宽度随温度升高变窄，半导体激光器的波长发生红移。典型 的温度调谐曲线如图所示，随着温度的升高，半导体激光器的发射波 长以阶梯形式跳跃变化，跳跃是由增益曲线移动引起的纵模之间的跳 变引起的。

相干性好：就氦氖激光而言，其相干长度可达400km。 能量密度大：激光的亮度是普通光源的上百万倍。与太阳光比，一支功
率仅为1毫瓦的氦氖激光器的亮度要比太阳光强100倍；而一台巨型脉冲固体激光 器的亮度可比太阳亮度高100亿倍。
四、激光器的分类
固体激光器：把金属离子掺入晶体或玻璃基质中
气体激光器：原子气体、分子气体和离子气体 按工作物质分类 液体激光器：有机染料溶液和无机化合物溶液
Hitachi HL7851G 多量子阱激光二极管
增益介质 GaAlAs
标称参数：
工作温度25°C时
输出光波长：785nm 最大输出光功率：50mw 腔长：600微米
波长的温度调谐率：0.05nm/°C
波长的电流调谐率：0.004nm/mA
半导体激光二极管输出的激光的线宽 激光二极管内部谐振腔决定的纵模频率为： ν =kc/2nL 那相应的纵模间隔为： Δν =c/2nL 每个纵模的半高全宽(线宽)为：
Maiman
二、激光器的三要素
Laser
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 表示“受激辐射的光放大” 1964年10月，物理学家钱学森建议称之为-----激光 工作物质
：实现粒子数反转
激励源：使原子被激发
谐振腔：光放大作用
激光器的设计与制作
-----半导体激光技术
主要内容
背景介绍 半导体激光器的基本特性
光栅反馈半导体激光器
背景介绍
一、激光的发展简史
1917年，爱因 斯坦提出了“受激 辐射”的概念，奠 定了激光的理论基 础。 1958年，贝尔实验室的 汤斯和肖洛发表了关于激光 器的经典论文，奠定了激光 发展的基础。
要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反 馈而形成激光振荡。激光器的谐振腔是由半导体的自然解理面作为反射镜形 成的，用半导体解理面构成共振腔，能获得的反射率一般只有30％左右，为 适应某些应用的要求，腔镜达到高反射率，可以在有源层两侧各交替迭加许 多层折射率不同的半导体材料。
为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔 引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这 就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越 高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。当激光器达 到阈值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连 续地输出。
半导体激光器的功率输出特性
半导体激光二极管输出功率及波长与温度的关系
输出功率与温度的关系
输出波长与激光器温度的关系
半导体激光器的功率输出特性
半导体激光二极管的注入电流
当注入电流I<Ith时，激光器的增益小于谐振腔的损耗，无法形成激 光振荡，激光器输出荧光。当注入电流I>Ith时，输出光功率随注入电流的 增加而迅速增大，产生激光振荡。Ith被称为阈值电流，其大小由激光器的 结构决定并与激光器的温度有关——随着温度的降低，Ith减小。当注入电 流一定时，输出功率随温度降低而增大。
P
Ith P－I曲线
I
输出功率与注入电流的关系
阈值电流与激光器温度的关系
半导体激光器的波长调谐特性
半导体材料中原子按一定规律紧密排列,由于原子间构成共价键结构, 各原子之间保持一定的距离形成空间的周期性势场，电子在这样的周期性 势场中的形成了带状的能量本征态，最外层价电子相对应的能带叫做价带 , 价带上面的能带称为导带,导带底和价带顶的部分称为禁带,其宽度称为带， 激光器发出的光是由电子从导带跃迁到价带时辐射出来的,所以输出光的频 率首先由带隙大致确定。 激光器可以输出的激光频率还要受到谐振腔的限制，只有频率满足 v=kc/2nL,n和L分别为半导体材料的折射率和长度，c为光速，k为大于0的 整数。
光反馈：外腔半导体激光器(Extended/External Cavity Diode Laser,
ECDL)就是通过一个延长的外腔以增加有效腔长,并引入光栅反馈来压窄线宽。
在光反馈技术中，光栅外部反馈是一种简单而有效的方法。
外腔激光器压窄线宽的原理
二极管线宽
k c(1 R) / 2 nL R
电流对波长的调谐
1 g 2
Δβ为传输常数的变化量
n k n
2
Δn为折射率的变化量 Δg为增益系数的变化量 α为线宽增加因子

半导体激光器的注入电流的变化导致的载流子浓度的变化不但会引起 材料折射率的改变，而且也会改变增益系数。因此半导体激光器的波长会 随着注入电流的改变而改变。典型的电流调谐曲线与温度调谐曲线很相似， 也是以阶梯形式变化的。
较大(一般在几度到20度之间),所以在方向性，单色性和相干性等方面较差，但
随着科学技术的迅速发展,半导体激光器的研究正向纵深方向推进,半导体激光器
的性能在不断地提高。
半导体激光器的工作原理
右图是半导体激光器的简化模型，中间的小长 条形区域是掺杂了的有源层,受激辐射的生产和放大 都是在这个区域产生，有源层的一端镀上高反射膜, 另一端镀上14%一70%的反射膜,形成谐振腔，当PN 结加正偏压时,降低了P区和N区之间的势垒,电子和 空穴分别从N区和P区向有源区注入,形成粒子数反转, 电子由导带向价带跃迁时,产生一定波长的光,这些光 在两端面上来回反射通过有源层,同时又引起新的电 子受激跃迁,使光场不断增强，当光的增益大于损耗 时,就形成发射激光的阈值条件,结型激光器提供增益 的手段是加正向电流，当正向电流较小,注入的载流 子较少,增益未能克服腔内的损耗时也能发射光,但这 是自发辐射,当增益超过损耗时,腔内建立起振荡模式, 发射谱线变尖锐,发射亮度剧增,这时开始发射激光,开 始发射激光时的注入电流密度称为阈值电流密Ith。
仍是有意义的。
1967年在半导体激光发展史上一个重要的突破是一反过去用扩散法形成同质PN结 的惯例,而用液相外延的方法制成了单异质结激光器,从而实现了在室温下脉冲工作的半 导体激光器。 1970年, 又实现了双异质结构的半导体激光器,使半导体激光器在室温下
连续工作。这就是第二代半导体激光器---异质结半导体激光器。
使用寿命长：目前用于光纤通讯的半导体激光器，其工作寿命可达到数十万
乃至百万小时。
易调制：具有直接调制的能力并且调制带宽非常高,是半导体激光器有别于其它
激光器的一个重要特点。可用高 达GHZ的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激 光输出，可实行温度调谐和电流调谐。
其它优点：体积小、效率高、寿命长，可采用简单的电流注入方式来泵浦；
1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世界上 第一台红宝石激光器。 1962年，He－Ne气体激光器在美 国贝尔实验室研制成功。
这两次发明开创了传统的固体激 器和气体激光器的时代，自此，激光 走上了高速发展的道路。此后，半导 体激光器、染料激光器、自由电子激 光器都在相应学科的支持下出现。特 别是八十年代，随着光电子学和半导 体技术的发展，光纤激光器和孤子激 光器相继出现，将激光引入以光电子 和微电子为主的信息时代。