半导体激光器课件.ppt

1、 6.3.1 6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 一、一、半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理 受激辐射和受激辐射和粒子粒子数反转分布数反转分布 PNPN结的能带结的能带和和电子分布电子分布 激光振荡和激光振荡和光学光学谐振腔谐振腔 二、半导体激光器二、半导体激光器基本基本结构结构 6.3.2 6.3.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 一、一、发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 二、二、激光束的空间分布激光束的空间分布 三、三、转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 四、四、频率特性频率特性 五、五、温度特性温度特性 半

2、导体激光器（半导体激光器（Laser Diode Laser Diode 即即LDLD）6.3.1 6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器半导体激光器是向半导体是向半导体PNPN结注入电流结注入电流，实现实现粒子粒子数反转分布数反转分布，产生，产生受激辐射受激辐射，再利用谐振腔的，再利用谐振腔的正反馈正反馈，实现实现光放大光放大而产生而产生激光振荡激光振荡的。的。光受激辐射、发出激光必须具备三个光受激辐射、发出激光必须具备三个要素要素：1 1、激活介质激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；经受激后能实现能级之间的跃迁；2 2、能使激活介质产生、能

3、使激活介质产生粒子数反转粒子数反转的泵浦装置；的泵浦装置；3 3、放置激活介质的、放置激活介质的谐振腔谐振腔，提供光反馈并进行放大，提供光反馈并进行放大，发出激光。发出激光。1.1.受激辐射受激辐射和粒子数反转分布和粒子数反转分布2.2.有源器件有源器件的物理基础是的物理基础是光和物质相互作光和物质相互作用的效应用的效应。3.3.在物质的原子中，存在许多能级，最低在物质的原子中，存在许多能级，最低能级能级E E1 1称为基态，能量比基态大的能级称为基态，能量比基态大的能级E Ei i(i=2,(i=2,3,4)3,4)称为激发态。称为激发态。(热力学平衡状态下，在热力学平衡状态下，在较低能级上

4、比较高能级上存在较多的电子较低能级上比较高能级上存在较多的电子)4.4.电子在低能级电子在低能级E E1 1的基态和高能级的基态和高能级E E2 2的激发的激发态之间的跃迁有三种基本方式：态之间的跃迁有三种基本方式：(a)(a)自发辐射自发辐射h=E2-E1E2E1E2E1光子的特点：非相干光光子的特点：非相干光hE2E1E2E1(b)(b)受激辐射受激辐射光子的特点：相干光光子的特点：相干光 (c)(c)受激吸收受激吸收 hE2E1E2E1 产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位产生激光的必要条件一：受激辐射占主导地位hE2E1E2E1(b)(b)受激辐射受激辐射(1)(1)自发辐射自发辐

5、射 在高能级在高能级E E2 2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也也会自动地跃迁到低能级会自动地跃迁到低能级E E1 1上与空穴复合，释放的能量转换为光子上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为辐射出去，这种跃迁称为自发辐射自发辐射，见图，见图6 615(a)15(a)。(2)(2)受激辐射受激辐射 在高能级在高能级E E2 2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E E1 1上与空穴上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐受激辐射射，

6、见图，见图6 615(b)15(b)。(3)(3)受激吸收受激吸收 在正常状态下，电子处于低能级在正常状态下，电子处于低能级E1E1，在入射光作用下，它会，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级吸收光子的能量跃迁到高能级E2E2上，这种跃迁称为受激吸收。电上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图6 615(c)15(c)。受激辐射受激辐射和和自发辐射自发辐射区别在于是否有外来光子的参与，且产生区别在于是否有外来光子的参与，且产生的光的特点很不相同。的光的特点很不相同。受激辐射受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向

7、与入射光相光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为同，这种光称为相干光相干光。自发辐射自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为种光称为非相干光非相干光。受激辐射受激辐射和和受激吸收受激吸收的区别与联系的区别与联系 受激辐射受激辐射是是受激吸收受激吸收的逆过程的逆过程。电子在。电子在E E1 1和和E E2 2两个能级之两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都

8、要满足波尔条件波尔条件，即即 E E2 2-E-E1 1=h=h式中，式中，h=6.628h=6.6281010-34-34JsJs，为，为普朗克常数普朗克常数，为吸收或辐射为吸收或辐射的光子频率。的光子频率。产生产生受激辐射受激辐射和产生和产生受激吸收受激吸收的的物质物质是不同的。是不同的。设在单设在单位物质中，处于低能级位物质中，处于低能级E E1 1和处于高能级和处于高能级E E2 2(E(E2 2 E E1 1)的原子数分别的原子数分别为为N N1 1和和N N2 2。当系统处于当系统处于热平衡状态热平衡状态时，存在下面的分布时，存在下面的分布 )exp(1212kTEENN式中，式中

9、，k=1.381 k=1.3811010-23-23J/KJ/K，为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，T T为热力学温度。为热力学温度。由于由于(E(E2 2-E-E1 1)0)0，T0T0，所以在这种状态下，总是，所以在这种状态下，总是N N1 1NN2 2。这是这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别比例于受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N N1 1和和N N2 2，且比例，且比例系数系数(吸收和辐射的概率吸收和辐射的概率)相等。相等。如果如果N N1 1NN2 2，即，即受激吸收大于受激辐射受激吸收大于受激辐射。当。当光通过这种物

10、光通过这种物质时，光强按指数衰减，质时，光强按指数衰减，这种物质称为这种物质称为吸收物质吸收物质。如果如果N N2 2NN1 1，即，即受激辐射受激辐射大于大于受激吸收受激吸收，当光通过这种物，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质激活物质。N N2 2NN1 1的分布，和正常状态的分布，和正常状态(N(N1 1NN2 2)的分布相反，所以称为的分布相反，所以称为粒子粒子(电子电子)数反转分布数反转分布。问题：问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢如何得到粒子数反转分布的状态呢?导带导带 价带价带 导带导带 价带价带正常分布正常分布反转分布反转

11、分布产生激光的必要条件二：粒子数反转分布产生激光的必要条件二：粒子数反转分布产生粒子数反转的方法产生粒子数反转的方法 注入载流子半导体激光器注入载流子半导体激光器 强光对激光物质进行照射固体激光器强光对激光物质进行照射固体激光器 气体电离气体激光器气体电离气体激光器 图图 3.2 3.2 半导体的能带和电子分布半导体的能带和电子分布 (a)(a)本征半导体；本征半导体；(b)N(b)N型半导体；型半导体；(c)P(c)P型半导体型半导体 Eg/2Eg/2EfEcEvEg导 带价 带能 量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)2.PN2.PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 在半

12、导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带价带，能量高的能带，能量高的能带称为称为导带导带，导带底的能量，导带底的能量E Ec c 和价带顶的能量和价带顶的能量E Ev v 之间的能量差之间的能量差E Ec c-E Ev v=E=Eg g称为称为禁带宽度禁带宽度或或带隙带隙。电子不可能占据禁带。电子不可能占据禁带。在热平衡状态下，能量为在热平衡状态下，能量为E E的能级被电子占据的概率为费米分的能级被电子占据的概率为费米分布布 式中，式中，k k为波兹曼常数，为

13、波兹曼常数，T T为热力学温度。为热力学温度。E Ef f 称为称为费米费米能级能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。)exp(11)(kTEEEpf(3.3)Eg/2Eg/2EfEcEvEg导 带价 带能 量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用E Ef f 位于禁带中央来表示，见图位于禁带中央来表示，见图3.2(a)3.2(a)。在本征半导体中

14、掺入施主杂质，称为在本征半导体中掺入施主杂质，称为N N型半导体型半导体，见图，见图3.2(b)3.2(b)。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P P型半导体型半导体，见图，见图3.2(c)3.2(c)。在在P P型和型和N N型半导体组成的型半导体组成的PNPN结界面上，由于存在多数载流子结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场内部电场，见见图图3.3(a)3.3(a)。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P P区和区和N N区的区

15、的E Ef f 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图图3.3(b)3.3(b)。（a)P-Na)P-N结内载流子运动；结内载流子运动；P 区区PN结空结空间电间电荷区荷区N 区区内部电场内部电场 扩散扩散 漂移漂移势垒势垒能量能量EpcP区区EncEfEpvN区区Env(b)(b)零偏压时零偏压时P-NP-N结结的能带倾斜图的能带倾斜图图图 3.3 3.3PNPN结的能带和电子分布结的能带和电子分布h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，电子，空穴空穴内部电场内部电场外加电场外加电场正向偏压下正向偏压下P-NP

16、-N结能带图结能带图增益区（作用区）的产生：增益区（作用区）的产生：在在PNPN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方电子运动方向与电场方向相反，便使向相反，便使N N区的电子向区的电子向P P区运动，区运动，P P区的空穴向区的空穴向N N区运动，最区运动，最后在后在PNPN结形成一个特殊的结形成一个特殊的增益区增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒粒子数反转分布子数反转分布，见图，见

17、图3.3(c)3.3(c)。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生空穴复合，产生自发辐射光自发辐射光,这些光子将引起处于反转分布状这些光子将引起处于反转分布状态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。产生粒子数反转分布的条件：产生粒子数反转分布的条件：npgFFEEEVqq3 3 激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔工作物质工作物质光光增增益益ECEV产生激光的必要条件三：有光学谐振腔产生激光的必要条件三：有光学谐振腔激光振荡的产生激光振荡的产生 粒子数反转分布

18、粒子数反转分布（必要条件（必要条件)+)+激活物质置于光激活物质置于光学谐振腔学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡连续的光放大和激光振荡输出。输出。基本的基本的光学谐振腔光学谐振腔由两个反射率分别为由两个反射率分别为R1R1和和R2R2的平行反射的平行反射镜构成，并被称为法布里镜构成，并被称为法布里-珀罗珀罗(Fabry(FabryPerot,FP)Perot,FP)谐振腔。谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的产生的自发辐射光自发辐射光作为入射光。作为入射光。3 3

19、 激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔激光稳定工作的条件激光稳定工作的条件1 1：合适的谐振腔：合适的谐振腔2/Lmn产生稳定振荡的条件（相位条件）产生稳定振荡的条件（相位条件）m m 纵模模数，纵模模数，n n 激光媒质的折射率激光媒质的折射率注入电流注入电流有源区有源区解理面解理面解理面解理面L增益介质增益介质R1R2z=0z=L 法布里法布里珀罗腔珀罗腔 只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为振荡，这一增益称为阈值增益阈值增益。为达到阈值增益所要求。为达到阈值增益所要求的注入电流称为的注入电流称为阈值电流阈值电流

20、。一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。为工作模式，即在该频率上形成激光输出。激光稳定工作的条件激光稳定工作的条件2 2：光增益等于或大于总损耗：光增益等于或大于总损耗在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为阈值条件为 th=+211ln21RRL 式中，式中，th th 为阈值增益系数，为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损为谐振腔内激活物质的损耗系数，耗系数，L L为谐振腔的长度，为谐振腔的长度，R R1 1，R R2 211为两个反射镜的反射率为两个反射镜的反射率

21、 式中，式中，为激光波长，为激光波长，n n为激活物质的折射率，为激活物质的折射率，m=1,2,m=1,2,3 3 称为纵模模数。称为纵模模数。在共振腔内在共振腔内沿腔轴方向沿腔轴方向形成的各种形成的各种驻波驻波称为谐振腔的称为谐振腔的纵模。纵模。有有2 2个以上纵模激振的激光器，称为个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器多纵模激光器。通过在光。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器单纵模激光器。L=mmnLn22或 激光振荡的相位条件为激光振

22、荡的相位条件为LDLD的发光过程的发光过程 注入电流，即注入载流子；注入电流，即注入载流子；在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少数电子自发跃迁到价带，产生光子；数电子自发跃迁到价带，产生光子；1个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释放出放出2个相干光子，持续这个过程，直到释放出个相干光子，持续这个过程，直到释放出多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大；多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大；光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，LD开始开始工作。工作。4.4.半导体激光器基本结构

23、半导体激光器基本结构驱动电源驱动电源工作物质工作物质谐振腔谐振腔注入式注入式光子激励光子激励电子束激励电子束激励PN结（同质结）结（同质结）异质结异质结单异质结单异质结双异质结（双异质结（DH）解理面解理面布拉格反馈布拉格反馈分布反馈式分布反馈式DFB分布布拉格反射式分布布拉格反射式DBR 4.4.半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1m0.1m）、）、P P型和型和N N型限制层构成，如下图所示。型限制层构成，如下图所示。解理面解理面金属接触金属接触电流电流有源层有源层P型型N型型300m100m2

24、00m大面积半导体激光器大面积半导体激光器1 1）、同质结（）、同质结（PNPN结）半导体激光器结）半导体激光器 PNPN能带能带正向电压正向电压V V时形成的双简并能带时形成的双简并能带结构结构PN结结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作所加的正向偏压必须满足所加的正向偏压必须满足eEeEEVgFF1 1）、同质结半导体激光器）、同质结半导体激光器 4.4.半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构2 2）、异质结半导体激光器）、异质结半导体激光器 同质结、异质结结构示意图同质结、异质结结构示意图为了获得高势垒为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有

25、较大的差值。要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。4.4.半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 4.4.半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 这这种结构由种结构由三层三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。不同的光波长。结构结构中间中间有一层厚有一层厚0.1-0.3 m0.1-0.3 m的窄带隙的窄带隙P P型半导体，称为型半导体，称为有源层有源层；两侧两侧分别为宽带隙的分别为宽带隙的P P型和型和N N型半导体，称为型半导体，称为限制层限制层。三层半导体置于三层半导体置于基片基片(衬底衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射上，前后两个晶体

26、解理面作为反射镜构成法布里镜构成法布里-珀罗珀罗(FP)(FP)谐振腔。谐振腔。图图3.53.5是是双异质结双异质结(DH)(DH)平面条形结构。平面条形结构。3 3）、双异质结（）、双异质结（DHDH）半导体激光器）半导体激光器 DHDH激光器工作原理激光器工作原理 由于限制层的带隙比有源层宽，施加由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压正向偏压后，后，P P层的层的空穴和空穴和N N层的层的电子电子注入注入有源层有源层。P P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子电子形成了势形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到垒，注入到有源层的电子不可能扩散

27、到P P层。层。同理，同理，注入到有源层的注入到有源层的空穴空穴也不可能扩散到也不可能扩散到N N层。层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1-0.3 m0.1-0.3 m的有源层内形成的有源层内形成粒子数反转分布粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在制在有源区有源区内，因而电内，因而电/光转换效率很高，输出激光的光转换效率很高，输出激光的阈

28、值电阈值电流流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。图图 3.6 DH 3.6 DH激光器工作原理激光器工作原理(a)(a)双异质结构；双异质结构；(b)(b)能带；能带；(c)(c)折射率分布；折射率分布；(d)(d)光功率分布光功率分布 PGa1xAlxA sPGaA sNGa1yAlyA s复合空穴异质势垒E能量(a)(b)(c)n折射率 5%(d)P光电子 3.1.2 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 1.1.发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 半导体激光器的半导体激光器的发射波长发射波长等于等于禁带宽度禁带宽度E E

29、g g(eV)(eV)h h f f=E Eg gggEEhc24.1(3.6)不同半导体材料有不同的不同半导体材料有不同的禁带宽度禁带宽度E Eg g，因而有不同的，因而有不同的发射波长发射波长。镓铝砷镓铝砷-镓砷镓砷(GaAlAs-GaAs)(GaAlAs-GaAs)材料适用于材料适用于0.85 m0.85 m波段波段 铟镓砷磷铟镓砷磷-铟磷铟磷(InGaAsP-InP)(InGaAsP-InP)材料适用于材料适用于1.3-1.55 m1.3-1.55 m波段波段式中，式中，f f=c/=c/，f f(Hz)(Hz)和和(m)(m)分别为发射光的频率和波长，分别为发射光的频率和波长，c=3

30、c=310108 8 m/s m/s为光速，为光速，h=6.628h=6.6281010-34-34JSJS为普朗克常数，为普朗克常数，1eV=1.61eV=1.61010-19-19 J J，代入上式得到，代入上式得到峰值波长峰值波长：在规定输出光功率时，激光器受激：在规定输出光功率时，激光器受激辐射发出的若干发射模式中最大强度的光谱辐射发出的若干发射模式中最大强度的光谱波长。波长。中心波长中心波长：在激光器发出的光谱中，连接：在激光器发出的光谱中，连接50最大幅度值线段的中点所对应的波长。最大幅度值线段的中点所对应的波长。1.1.发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 图图 3.7 GaAl

31、As-DH 3.7 GaAlAs-DH激光器的光谱特性激光器的光谱特性 (a)(a)直流驱动直流驱动;(b)300 Mb/s;(b)300 Mb/s数字调制数字调制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 832 830 828 832 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b)在直流驱动下，在直流驱动下，发射光波长发射光

32、波长只有符合激光振荡的只有符合激光振荡的相位条件相位条件式式(3.5)(3.5)的波长存在。这些波长取决于的波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度激光器纵向长度L L，并称为，并称为激光器的激光器的纵模纵模。驱动电流变大，纵模模数变小驱动电流变大，纵模模数变小 ，谱线宽度变窄。，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对这种变化是由于谐振腔对光波频率光波频率和和方向方向的选择，使的选择，使边模边模消失消失、主模增益主模增益增加而产生的。增加而产生的。当驱动电流足够大时，当驱动电流足够大时，多纵模多纵模变为变为单纵模单纵模，这种激光器称，这种激光器称为为静态单纵模激光器静态单纵模激光器。图图3.7(b

33、)3.7(b)是是300 Mb/s300 Mb/s数字调制的光谱特性，数字调制的光谱特性，由图可见，由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。2.2.激光束的空间分布激光束的空间分布 激光束的空间分布用激光束的空间分布用近场近场和和远场远场来描述。来描述。近场近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；是指激光器输出反射镜面上的光强分布；远场远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。是指离反射镜面一定距离处的光强分布。图图3.83.8是是GaAlAs-DHGaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场激光器的近场图和远场图，近场和远场

34、是由谐振腔是由谐振腔(有源区有源区)的横向尺寸，即平行于的横向尺寸，即平行于PNPN结平面的宽度结平面的宽度w w和垂和垂直于结平面的厚度直于结平面的厚度t t所决定，并称为激光器的所决定，并称为激光器的横模横模。由图由图3.83.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w w由宽变窄，由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t t很很薄，这个方向的场图总是薄，这个方向的场图总是单横模单横模。图图 3.8 GaAlAs-DH 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样条形激光器

35、的近场和远场图样 W 10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近 场 图 样0.1rad远 场 图 样 3.9 3.9典型半导体激光器的远场辐射特性典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样和远场图样 (a)(a)光强的角分布；光强的角分布；(b)(b)辐射光束辐射光束 1.00.80.60.40.2080604020020406080T 300 K辐 射 角(度)相 对 光 强(a)(b)图图3.93.9为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中和和分别为平行分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的于结平面和垂直于结平面的辐射角，整

36、个光束的横截面呈椭圆形。横截面呈椭圆形。3.3.转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 激光器的电激光器的电/光转换效率可用功率效率和量子效率表示。量光转换效率可用功率效率和量子效率表示。量子效率又分为内量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。子效率又分为内量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。hfeIpeIIhfppththd/)(/)(3.7a)由此得到由此得到)(ethdthIIhfpp(3.7b)式中，式中，P P和和I I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，分别为激光器的输出光功率和驱动电流，P Pth th 和和I Ith th 分分别为相应的阈值，别为相应的阈值，h

37、h f f 和和e e分别为光子能量和电子电荷。分别为光子能量和电子电荷。外微分量子效率外微分量子效率d d其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的产生的光子数光子数外量子效率为：外量子效率为：/exp hfI e激光器每秒发射的光子数激光器每秒注入的电子空穴对数 图图 3.10 3.10 典型半导体激光器的光功率特性典型半导体激光器的光功率特性 (a)(a)短波长短波长AlGaAs/GaAs (b)AlGaAs/GaAs (b)长波长长波长InGaAsP/InP InGaAsP/InP 1098765432100 20 4060 80I/mA P/m

38、W3.53.02.52.01.51.00.50050100150IthI/mA P/mW(a)(b)4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流电流/mA输出功率输出功率/mWLEDLED的的P-IP-I特性特性543210 0 50 100 I/mA发 射发 射光 功光 功率率P/mWP/mW 22 50 70 LDLD的的P-IP-I特性特性)(0TT Ith=I0 exp(3.9)4.4.温度特性温度特性半导体激光器对温度十分敏感，其输出功率随温度会发生很大变半导体激光器对温度十分敏感，其输出功率随温度会发生很大变化，其主要原因为：（化，其主要原因为：（1 1）激光器的）激光

39、器的阈值电流阈值电流I Ithth 随随温度温度升高而升高而增增大大（2 2）外微分）外微分量子效率量子效率d d随随温度温度升高而升高而减小减小。温度升高时，温度升高时，I Ith th 增大，增大，d d减小，减小，输出光功率明显下降，达输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不再受激辐射了。当以直流电流驱动激到一定温度时，激光器就不再受激辐射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以

40、表示为表示为 式中，式中，I I0 0为常数，为常数，T T为结区的热力学温度，为结区的热力学温度，T T0 0为激光器材为激光器材料的特征温度。料的特征温度。GaAlAs GaAs GaAlAs GaAs 激光器激光器T T0 0=100-150 K=100-150 K InGaAsP-InP InGaAsP-InP 激光器激光器T T0 0=40=4070 K70 K 所以所以长波长长波长InGaAsP-InPInGaAsP-InP激光器输出激光器输出光功率光功率对对温度温度的变的变化更加敏感。化更加敏感。图图3.123.12示出示出脉冲调制脉冲调制的激光器，由于温度升高引起阈值电流的激光器，由于温度升高引起阈值电流增加和外微分量子效率减小，增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性造成的输出光功率特性P P I I曲线的变化。曲线的变化。图图 3.12 3.12 P P I I曲线随温度的变化曲线随温度的变化 22304050607080P/mW54321050100I/mA不 激 射