《固体激光器》PPT课件

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1、第第5 5章章 固体激光器固体激光器王春雨 材料学院A202室 E-mail:(WANG Chunyu)哈尔滨工业大学（威海）材料科学与工程学院 固体激光器红宝石激光器YAG激光器工作物质工作物质Al2O3Cr2O3；Cr3决定光谱性能Al2O3Y2O3Nd2O3；Nd3决定光谱性能物理过程物理过程三能级系统四能级系统激光谱线激光谱线0.6943m+0.6929m；0.6943m占优势1.35m+1.06m；一般只产生1.06m泵浦源泵浦源脉冲氙灯氪灯由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励泵浦特点泵浦特点*泵浦灯和激光棒分别位于椭圆聚光腔的两条焦线上泵浦灯和激光棒分别位于椭

2、圆聚光腔的两条焦线上*泵浦光源中仅有少部分与工作物质吸收带相匹配的光能是有用的。泵浦光源中仅有少部分与工作物质吸收带相匹配的光能是有用的。优缺点优缺点阈值高、温度效应非常严重、室温下不适阈值高、温度效应非常严重、室温下不适于连续和高重复率工作于连续和高重复率工作阈值低、有优良的热学性质、阈值低、有优良的热学性质、适于连续和高重复率工作；是适于连续和高重复率工作；是目前能在室温下连续工作的唯目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质一实用的固体工作物质输出特性输出特性大多数为脉冲激光器，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约为几个微米大多数为脉冲激光器，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约为几

3、个微米转换效率低转换效率低(总体效率：激光输出与泵浦源的电输入之比总体效率：激光输出与泵浦源的电输入之比)总体效率大概为0.5%-1%1%-3%特点特点输出能量大；峰值功率高；5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质1.固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图5-1是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。图5-1 固体激光器的基本结构示意图5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质2.红宝石激光器图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构5.1.1 5.1.1

4、固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质3.掺钕钇铝石榴石(Nd3：YAG)工作物质:将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3)，YAG中Nd3与激光产生有关的能级结构如图(5-5)所示。它属于四能级系统。图(5-5)Nd3:YAG 的能级结构5.1.2 5.1.2 固体激光器的泵浦系统固体激光器的泵浦系统1.固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。泵浦光源应当满足两个基本条件。2.常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚

5、到工作物质上，必须采用聚光腔。3.图(5-6)所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。图(5-6)椭圆柱聚光腔4.固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。5.泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。5.1.3 5.1.3 固体激光器的输出特性固体激光器的输出特性1.固体激光器的激光脉冲特性 2.转换效率 总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器(用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：couabcLpinthinouttPPPP1

6、211couabcLpinthinouttEEEE1211一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲(或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.11)m，各短脉冲之间的间隔约为(510)s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。5.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器1.半导体激光器泵浦的固体激光器 图(5-7)半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图2.可调谐固体激光器 半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有其主要优点 半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)(a)所示的端泵浦方式和图(5-7)(b)所示的侧泵浦方式。可

7、调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。5.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器3.高功率固体激光器 高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。图(5-8)板条形固体激光器结构示意图第八讲 半导体激光器（一）主要内容 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的基本结构 半

8、导体激光器工作原理 半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用光学谐振腔的正反馈实现光放大而产生激光。半导体激光器工作原理 光与物质相互作用的三种基本方式 粒子数反转分布 激光振荡和光学谐振腔 光与物质相互作用的三种基本方式 自发辐射无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级，同时释放出光子。受激辐射高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。受激吸收低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到高能级。E2 E1 E2 E1 hf12 hf12 hf12 hf12 初态 终态(b)自发辐射(c)受激

9、辐射(a)受激吸收 能级与电子跃迁示意图 粒子数反转分布 设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为N1和N2物质在正常状态下N1N2，受激吸收与受激辐射的速率分别比例于N1和N2且比例系数相等，此时光通过该物质时，光强会衰减，物质为吸收物质。若N2N1，受激吸收小于受激辐射，光通过该物质时，光强会放大，该物质成为激活物质。N2N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分布。半导体的能带和电子分布 能量价带价带EgEfEf/2Ef/2EgEfEeEvEvEeEgEfEeEv(a)本征半导体(b)N型半导体(c)P型半导体空穴电子能带电子所处的能态扩展成的连续分布的能级。价带能量低的能带。导

10、带能量高的能带。禁带Eg导带底的能量Ee 和价带顶能量Ev间的能量差在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 费米能级 用于描述半导体中各能级被电子占据的状态，在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。在本征半导体中，位于禁带中央；N型半导体中 增大；在P型半导体中 减小。exp11)(KTEEEPffEfEfE PN结的能带和电子分布 PN结空间电场区P区N区+Ef能量EePEVPEeNEVNP区N区EVPEePEeNEVNEfNEfPhfhf PN结界面上由于多数载流子扩散运动形成内部空间电场区，该电场导致载流子的漂移运动，无外加电压时，两种运动处于平衡状态，能带发生倾斜

11、。当外加正向电压时，内部电场被削弱，扩散运动加强，能带倾斜减小，在PN结形成一个增益区（粒子数反转分布区）可产生自发辐射。光学谐振腔 光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成。腔内物质具备粒子数反转分布，可用其产生的自发辐射光作入射光，经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传播的光被减弱，反射光经反射镜多次反射不断被放大，方向性不断改善，使增益大幅度提高。激光振荡 激活物质在被置于光学谐振腔后，能对光的频率和方向进行选择，可获得连续的光放大和激光振荡输出激光起振阈值条件：腔内增益与损耗相当时开始建立稳定的激光振荡，阈值条件为：是 阈值增益系数；是谐振腔内激活物质的损耗

12、系数；为谐振腔长度 激光振荡的相位条件为：或nqL2nLL2LRRht2)1ln(21htL 半导体激光器的基本结构同质结单异质结（LH）双异质结（DH）双异质结（DH)LD的结构限制层GayAl1-yAs有源层GaAs限制层GaXAl1-XAsGaAs衬底光辐射金属接触 双异质结（DH)LD的工作原理示意图P GayAl1-yAsP GaAsN GaXAl1-XAsE能量N折射率P光功率电子复合异质势垒空穴5%+(b)(a)(d)(c)双异质结（DH)LD的工作原理 双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层，两侧分别为宽带

13、隙的P型和N型半导体是限制层，三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。5.4 5.4 半导体激光器半导体激光器 以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器。其特点为超小型、高效率、低成本、工作速度快和波长范围宽等。它是激光光纤通信的重要光源。目前在光存储、激光高速印刷、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面广泛应用。而在光信息处理、光计算机和固体激光器泵浦等方面却正是方兴未艾。自1962年半导体砷化嫁（GaAs）同质结激光器问世后，半导体从同质结、单异质结、双 异质结到半导体激光器阵列，波长范围履盖了可见光到长波红外，逐渐地成为现代

14、激光器件中的应用面最广、发展最为迅速的一种重要器件类型。同以气体或固体作为工作物质的激光器一样，欲使半导体材料产生激光，同样要使半导体材料中电子能态发生变化，以形成一定的粒子数反转，并且要有一个合适的光学共振腔。但是，由于半导体材料中电子运动的特殊性半导体激光器又有着许多不同于气体和固体激光器的特性。因此，要深入了解半导体激光器的特性和原理，我们必须先了解有关半导体材料的一些理论基础。5.4.1 5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件半导体的能带和产生受激辐射的条件 一、有关半导体的基础知识 1能带 构成半导体激光器的工作物质是半导体晶体。在半导体晶体中，电子的运动状态和单个原子时的情况

15、大不相同，尤其是其外层电子有了明显的变化，即所谓的“共有化运动”。量子力学证明：当N个原子相接近形成晶体时，由于共有化运动，原来单个原子中每一个允许能级要分裂成 N个与原来能级很接近的新能级。在实际的晶体中，由于原子数目N非常大，新能级又与原来能级非常接近，所以两个新能级间距离很小（相互间的能级差为10-22），几乎可把这一段能级看作是连续的。我们便把这N个能级所具有的能量范围称为“能带”。不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这个间隔范围内电子不能处于稳定状态，实际上形成一个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度 Ev来衡量。下图说明了原子中子轨道、能级及能带之间的对应关系。图(5-23)

16、固体的能带图(5-23)固体的能带图(5-24)本征半导体的能带 在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带叫做“价带”，如某一能带被电子填满，则称之为“满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带叫做“空带，若价带中的电子受激而进入空带，则此空带称为“导带”，同时，价带上由于价电 子激发到导带后留下一些空着的能级称为“空穴”。“价带”和“导带”之间是“禁带”。在纯净的、不含杂质的半导体中，由于热运动而产生的自由电子和空穴数量很少。这时，半导体是一个不导电的绝缘体。但如果半导体中掺入杂质，情况就不同了。如四价半导体中掺入五价半导体，就会在导带下形成杂质能级。杂质能级上电子很容易转移至导带上去，这种杂质称

17、为施主。掺施主杂质的半导体称为电子型半导体或N型半导体。而如果我们在四价半导体中掺入三价元素，则会在价带上方形成受主杂质能级，价带上的电子可跑到受主能级上去，从而在价带上产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。2电子和空穴的统计分布 统计物理学指出：热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，一个电子占据能量为E的能级的几率为1()1FnE EkTfEe 由上式可见，对于某一温度T，能级E上的电子占据率唯一地由费米能级EF所确定，因此可以把EF视作电子填充能级水平的一把“尺子”。3.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，图(

18、5-25)给出了温度极低时的情况。图(5-25)费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系图(5-25)费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系在未掺杂质的本征型半导体中，费米能级居于禁带中央，导带内的电子或价带内的空穴是非简并化分布(图a)。在轻掺杂P型半导体中，受主能级使费米能级向下移动(图b);轻掺杂N型半导体中，施主能级使费米能级向上移动(图d);在重掺杂P型半导体中，费米能级向下移到价带中，低于费米能级的能带被电子填满，高于费米能级的能态都是空的，导带中出现空穴P型简并半导体(图c);在重掺杂N型半导体中，费米能级向上移到导带中，低于费米能级的能带被电子填满，高于费米能级的能态都是空的，导

19、带中也有自由电子N型简并半导体(图e);双简并半导体半导体中存在两个费米能级。(图f);两个费米能级使得导带中有自由电子；价带中有空穴。4.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带(图ae)中的情况都只有一个费米能级，在它上面没有有自由电子，在它下面已经被电子充满，不可能发生电子跃迁，只能将外来光子吸收。(图f )中的情况都只有两费米能级，导带有自由电子，价带中有空穴，当入射光的频率满足 gFFEhEE 时，外来光子会诱导导带中的自由电子向价带空穴跃迁而发出一个同样的光子。5.4.2 PN5.4.2 PN结和粒子数反转结和粒子数反转 在热平衡系统中(图ae)中的情况都只有一个费米能

20、级不能产生光放大。把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？一、P-N结的双简并能带结构 如果我们设法使一块完整的半导体一边是N型，而另一边是P型，则在接合处形成 PN结。未加电场时，由于电子和空穴的扩散作用，在PN 结的交界面两侧形成空间电荷区，生产自建场，其电场方向自N区指向P区。引起漂移运动，当扩散运动和漂移运动达到热平衡时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平。这时，在P区和N区分别出现P型简并区 和N型简并区，P区的价带顶充满了空穴，N区的导带底充满了电子。在结区造成了能带的弯曲。自建场的作用，形成了接触电位差VD叫做PN 结的势垒高度。P区所有能级上的电子都有

21、了附加位能，它等于势垒高度VD 乘以电子电荷e（VDe）图(5-26)PN能带 当给PN 结加以正向电压V时，如图（5-27）所示，原来的自建场将被削弱，势垒降低，破坏了原来的平衡，引起多数载流子流入对方，使得两边的少数载流子比平衡时增加了，这些增加的少数载流子称为“非平衡载流子”。这种现象叫做“载流子注入”。此时结区的统一费米能级不复存在，行成结区的两个费米能级EF+和EF-，称为准费米能级。它们分别描述空穴和电子的分布。在结区的一个很薄的作用区，形成了双简并能带结构。图(5-27)正向电压V时形成的双简并能带结构二、粒子数反转 二、粒子数反转产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形

22、成粒子数反转分布。图(5-26)PN能带图(5-27)正向电压V时形成的双简并能带结构 粒子数就是载流子数。正常情况下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才填充导带。如果我们能利用光或电注入的办法，便在PN 附近够成大量的非平衡载流子，在此其复合寿命更短的时间内电子在导带、空穴在价带分别达到暂时的平衡，则在这一段时间内简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布的状态。对于重掺杂的 GaAs PN 结，在PN 结的附近，导带中有电子而价带中有空穴，这一小段区域称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光

23、子的激发下跃迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大于受激吸收光子的速率。考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率可以用N 区的费米能级来计算221()1FNEEkTfEe价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 111()1FPEEkTfEe价带顶电子占据几率则为 1111()1()1FNPEEkTfEfEe 在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是gFFNNEEEEEEfEf1212)()(此式便是同质结半导体激光器的载流子反转分布条件。其物理意义是：（1）工作区中导带能级的电子占有几率大于价带能级中的电子占有几率。（2）

24、因为发射的光子能量基本等于禁带宽度Eg，因而要求(E-F)一(E+F)Eg，而PN 结两边的PP型和NN型半导体都必须高掺杂，从而使电子和空穴的准费米能级分别进入导带和价带。（3）所加的正向偏压必须满足eEeEEVgFF图(5-28)GaAs激光器的结构5.4.3 5.4.3 半导体激光器的工作原理和阈值条件半导体激光器的工作原理和阈值条件 一、半导体激光器的基本结构和工作原理 图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。图(5-28b)是台面形管芯激光器的外形结构，管芯的形状有长方形，台面形,电极条形等多种，图(5-28a)的管芯形状是长方形，PN 结的厚度仅几十微米，一般是在N型GaAs衬底

25、上生长一薄层P型 GaAs 而形成PN 结。激光器的谐振腔一般是直接利用垂直于PN 结的两个端面，由于GaAs的折射率n，所以对于垂直于端面的光的反射率为32%。为了提高输出功率和降低工作电流，一般使其中一个反射面镀金反膜。二、半导体激光器工作的阈值条件 激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件 21ln21rrLaG内 工作物质实现了粒子数反转后，光在谐振腔内传播时便有增益，但能否有效地形成激光振荡，还与腔内损耗有关。只有在增益恰等于损耗时才能满足振荡的阈值要求。这说明半导体激光器的增益不仅要大于零，还必须达到某一数值才能形成激光。ftcnfAcnG复合222222128

26、8t复合结区电子寿命 t复合=1/A21 n粒子数反转值增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质 三、半导体激光器的阈值电流 三、半导体激光器的阈值电流 在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡 2222121222222222128ln21 )(ln21888cedrrLaJfrrLaGJedfcGftcnfAcnGeItnLwd内阈内复合复合 当正向电流密度J达到阈值J阈后形成激光。数值例：GaAs PN 结激光器21216A/cm150 m2 35.3cm40ln21 MHz103阈总JdrrLav5.4.4 5.4.4 同质结

27、和异质结半导体激光器同质结和异质结半导体激光器 1.伏安特性:与二极管相同，也具有单向导电性，如图(529)所示。一、同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 图(5-29)GaAs激光器的伏安特性2.阈值电流密度:影响阈值的因素很多 222218ln21cvedvrrLaJ内阈 显然，降低J阈的值是提高半导体水平的关键，经研究人们发现J阈与以下因素有关：（1）与激光器的具体结构及制备工艺有密切关系，不同器件a总值差异很大；（2）J阈1/L，即阈值电流密度与腔长L成反比；（3）J阈与工作温度的关系十分密切；（4）J阈与反射率r1r2有关，通常两个反射面都是天然解理面，故 r1=r2=。当腔长转短时

28、，若12L比a总小或接近，一个端面镀金反膜会使J阈 明显降低，但当腔长 L较长时，J阈的降低就不很明显了。3.方向性:图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。图(5-30)激光束的空间分布示意图 4.光谱特性:图(5-31)是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。因为半导体激光器的谐振腔短小,所以激光束的方向性较之其他典型的激光器要差很多。而且由于有源区厚度很薄,有源区的条宽比厚度大很多倍,所以在垂直于结的方向和平行于结均方向的光束发散角是不对称的,前者要大数倍。GaAs的激射光谱线

29、宽比固体和气体激光器要宽。这是因为半导体产生激光时,粒子反转分布并不是在两个分立的能级之间,而是在导带和价带之内。每个能带都包含了许多级,这就使复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围。由于增益谱线宽,其发射光谱的单色性就要差一些。实际的激光器发射光谱的结构是很复杂的,光谱宽度随注入电流增加而变宽,一般可从零点几纳米到几纳米范围内变化。同时,半导体激光器的光谱随温度而变化。当温度升高时,激光的峰值波长向长波方向移动。对GaAs同质结器件,峰值波长在77K时为0.84um,300K时为。外微分量子效率D:ViiPeiihPeiihPPththDththD)()()()(功率效率P:功率效率定义为激

30、光器的输出功率与输入电功率之比 2PSPiVi R 5转换效率 半导体激光器所用的转换效率常用“功率效率”和“量子效率”来度量。P输出功率 Pth 阈值发射光功率 hv发射光子能量 i正向电流 ith 正向阈值电流 e电子电量 V正向偏压 RS激光器串联内阻 一般同质结激光器在室温下的功率效率仅有百分之几。为了提高功率效率应尽可能减小内阻。二、异质结半导体激光器 理论分析及实验研究表明，同质结激光器难以得到低阈值电流和实现室温连续工作。为此,在同质结的基础上发展了异质结半导体激光器,从而大大提高了半导体激光器的实际应用价值。1.异质结及其特点 如图（5-32）所示,对于GaAs类半导体激光器,

31、由同种材料GaAs构成的p-n结即为同质结。若一侧为GaAs,而另一侧为GaAlAs所构成的结为异质结,若个半导体激光器仅有一个异质结则称为单异质结(SH)激光器,两个异质结构为双异质结(DH)激光器。图(5-32)同质结、异质结结构示意图从提高半导体激光器的性能要求出发,对异质结两侧的材料有如下技术要求:(1)要求两种材料的晶格常数尽可能相等,若在结合的界面处有缺陷,载流子将在界面处复合掉,不能起到有效的注入、放大和发光的作用;(2)为了获得较高的发光效率,要求GaAlAs材料是竖直跃迁型的;(3)为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。Thank you for your attention!