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近代物理半导体激光器的原理及应用院（部）：专 业：班 级：姓 名：学 号：1.半导体激光器的原理及特性1.1基本原理半导体材料多是晶体结构当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能 带上价电子所处的能带称价带（对应较低能量）与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁 带当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用同时，价带中失 掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用因此，价 带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子掺杂半导体与p-n结没有杂质的纯净半导体， 称为本征半导体如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称 为施主能级和受主能级有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体在常温下，热能使n型 半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子而p型半导体的大部分受主 原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导 体主要由价带中的空穴导电半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为2〜5X10i8cm-i； p型为1〜 3X10i9cm-i。

在一块半导体材料中，从?型区到n型区突然变化的区域称为p-n结其交界面处将形成一空间电荷区n型 半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散这样一来，结构附近的n型区由于 是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称 为自建电场此电场会阻止电子和空穴的继续扩散•0.0OOO半导体激光器的结构图I"11:自建电场的示意图p-n结电注入激发机理若在形成了 p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极 显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作 用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在 着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余 的能量就以光的形式发射出来这就是半导体场致发光的 机理，这种自发复合的发光称为自发辐射要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的 电流足够大（如30000A/cm2）这样在p-n结的局部区域 内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布 状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。

半导体激光器结构如图为结构图，其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口夹着结区的P区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面(110面)构成，它有35的反射 率，已足以引起激光振荡若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95% 以上的反射率一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合 1.2半导体激光器的调制特性激光具有极好的时间相干性和空间相干性，它与无线电波相似，易于调制，且光波的频率极高，能 传递信息的容量很大加之激光束发散角小，光能高度集中，既能传输较远距离，又易于保密因而为光 信息传递提供了一种理想的光源把欲传输的信息加载于激光副射的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置称为激光调制器，由 已调制的激光辐射中还原出所加载信息的过程则称为解调由于激光起到“携带”信息的作用，所以称其 为载波通常将欲传递的信息称为调制信号被调制的激光称为已调波或调制光激光调制与无线电波调制相类似，激光振荡的瞬时电场也可表示为：e(t)=Acos(wt+w )式中A为激光振荡的复振幅，w为调制的角频率，中为调制的相位角。

模拟激光调制可分为调幅、调 频和调相等类型按载波的振荡输出方式不同又可分为连续调制、脉冲调制和脉冲编码调制等脉冲调制 主要分为脉冲调幅(PAM)、脉冲强度调制(PIM)、脉冲调频(PFM)、脉冲调位(PPM)及脉冲调宽(PWM) 等类型脉冲编码调制(PCM)是先将连续的模拟信号通过抽样、量化和编码，转换成一组二进制脉冲代 码，用幅度和宽度相等的矩形脉冲的有、无来表示，再将这一系列反映数字信号规律的电脉冲加在一个调 制器上以控制激光的输出这种调制形式也称为数字强度调制1.3半导体激光器的调制方式半导体激光器的激光调制分为内调制和外调制两类间接调制是指加载调制信号在激光形成以后进 行的，即调制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化， 当激光通过它时即得到调制直接调制是指加载的调制信号在激光振荡的过程中进行，以调制信号的规律去改变振荡的参数，从 而达到改变激光输出特性实现调制的目的由于直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点，是低速光纤通信中最常采用的调制方式，但 只适合用于半导体激光器和发光二极管，这是因为发光二极管和半导体激光器(对激光器来说，阈值以上 部分)基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈线性，所以可以通过改变注入电流 来实现光强度调制。

直接调制的带宽：因为半导体激光器的结电容特性，并不能理想工作，激光器对于不 同的输入频率，响应并不相同，一般频率越高，输出的光强调制振幅越小1. 4半导体激光器的特点由于半导体激光器的体积小、重量轻、结构简单、光波长可调能量低、寿命较长、易于调制以及价格 低廉等优点，使得它已在激光技术中占有显赫的地位，它的成功应用已遍及电子学以及激光光谱学等许多 重要领域其中VCSEL型半导体激光器,由于单纵模、波长可连续调谐、无模式跳跃、波长分布范围广等特 点,很适合各种气体的激光光谱学研究垂直腔面发射激光器VCSEL有如下特点：(1) 易于实现二维平面和光电集成：单个VC2SEL激光器仅几微米大小，有可能在1cm2的芯片上集成百 万个这种微型激光器2) 圆形光束易于实现与光纤的有效耦合:VCSEL有径向对称的高斯近场分布因而它们更容易耦合到 光纤或光学器件上芯片生长后无须解理、封装即可进行“在片”实验制作工艺简单，制作成本低3) 在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作4) 光束发散角较小，约为5°5 )有源区尺寸极小，因而可实现低阈值电流p区接正极，n区接负极显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对 晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p 区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中 的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。

这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合 的发光称为自发辐射要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入 p-n结的电流足够大(如30000A/cm2)这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空 穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光半导体激光器结构如图为结构图，其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一 个激光输出窗口夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面(110面)构成，它有35的反射 率，已足以引起激光振荡若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得5% 以上的反射率一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合2.2.2半导体 激光器的工作特性半导体激光器的工作特性中，当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益 也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光影响阈值的几个因素有：① 晶体的掺杂浓度越大，阈值越小② 谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。

③异质结阈值电流比同质结低得多④温度愈高， 阈值越高由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20° -30°； 在结的水平面内约为102半导体激光器的应用2.1半导体激光器在激光光谱学中的应用激光光谱具有广泛的应用范围，如从分子光谱、等离子物理、高阶谐波产生的科学应用到大气污染的 监测及癌症的诊断等半导体激光器在激光光谱学中有较多优势，用于激光光谱学的半导体激光器有一个 重要的特点就是可协调性其波长可通过改变温度或改变驱动电流来调谐另外高灵敏度，高选择性可以 减少谱线重叠，增加选择性半导体激光器还可用调制技术够减少激光的过量噪声例如下图即为 “SPECDILASV—763—OXY"VCSEL所探测的02吸收光谱(半导体激光器的工作温度Top=10°C,Iset=4.6mA,加 32Hz,10.6mV的锯齿波,256次平均)VCSEL激光器的波长范围为1.3〜2〃m,可调谐波长范围为3nm,主要用于光纤通信技术气体监测由于 VCSEL激光器和DFB激光器能够实现单纵模特性，因此它们常应用在激光光谱学中尤其是气体的测量中 2.2大功率半导体激光器的军事应用随着激光技术的日趋成熟和应用领域的不断拓展。

由于半导体激光器具有结构简单、体积小、寿命较 长易于调制及价格低廉等优点使得半导体激光器在在军事中得到广泛应用，如激光制导跟踪便是从制导站 的激光发射系统按一定规律向空间发射经编码调制的激光束，且光束中心线对准目标；在波束中飞行的导 弹，当其位置偏离波束中心时，装在导弹尾部的激光接收器探到激光信号，经信息处理后，弹上解算装置计 算出弹体偏离中心线的大小和方向，形成控制信号;再通过自动驾驶仪操纵导弹相应的机构,使其沿着波束 中心飞行，直至摧毁目标为止半导体激光引信是一种光学引信属主动式近炸引信的技术范畴激光引信 通过激光对目标进行探测，对激光回波信息进行处理和计算，判断出目标，计算出炸点，在最佳位置适时引 爆炸弹一旦未捕获或丢失目标以及引信失灵后，自炸机构可以引爆弹丸自毁半导体激光引信是激光探 测技术在武器系统中最成功的应用测距仪采用半导体激光器作光源具有隐蔽性略加改进，还可测量车辆 之间的距离并进行数字显示,在低于所需安全系数时发出警报激光模拟主要是以半导体激光为基础发展 起来的新型军训和演习技术通过调节激光射束、周期和范围以达到模拟任何武器特征的目的武器模拟 主要使用904nm半导体激光器，用对眼睛安全的激光器作为战术训练系统的基础，最初称为激光交战统 (LES)。

目前，全世界有美、英、瑞(典)三国出售MILESII/SAWE系统;北约国家、以色列、阿根廷、俄罗斯、 中国都在开发这种系统另外军用光纤陀螺是军用光纤领域中用途最广，是目标监测和测量方面不可缺少 的技术手段由光纤绕成环形光路，采用Sagnac干涉原理，检测出随转动产生的两路激光束的相位差，由此 得出转动的角速度其主要优点是:无运动部件，仪器牢固，耐冲击,抗加速运动;机构简单，价格低廉;启动 时间极短(原理上可瞬时启动)；灵敏度高可达10-7rad/s;动态范围极宽(约为2000度/秒)；寿命长等在军 用民用光纤通信、光纤制导导弹、制导鱼类等方面广泛应用2.3半导体激光器在数字通信中的应用我们称现代社会为信息社会，半导体激光器在信息的获取，传输，存储和处理以及显示中已得到广泛 应用在数字通信市场，波长为950— 1550nm的半导体激光器应用广阔。