- 激光的產(chǎn)生機理
- 激光二極管本質(zhì)
在講激光產(chǎn)生機理之前，先講一下受激輻射。在光輻射中存在三種輻射過(guò)程，
一時(shí)處于高能態(tài)的粒子在外來(lái)光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，稱(chēng)之為自發(fā)輻射；
二是處于高能態(tài)的粒子在外來(lái)光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，稱(chēng)之為受激輻射；
三是處于低能態(tài)的粒子吸收外來(lái)光的能量向高能態(tài)躍遷稱(chēng)之為受激吸收。
自發(fā)輻射，即使是兩個(gè)同時(shí)從某一高能態(tài)向低能態(tài)躍遷的粒子，它們發(fā)出光的相位、偏振狀態(tài)、發(fā)射方向也可能不同，但受激輻射就不同，當位于高能態(tài)的粒子在外來(lái)光子的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，發(fā)出在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面與外來(lái)光子完全相同的光。在激光器中，發(fā)生的輻射就是受激輻射，它發(fā)出的激光在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面完全一樣。任何的受激發(fā)光系統，即有受激輻射，也有受激吸收，只有受激輻射占優(yōu)勢，才能把外來(lái)光放大而發(fā)出激光。而一般光源中都是受激吸收占優(yōu)勢，只有粒子的平衡態(tài)被打破，使高能態(tài)的粒子數大于低能態(tài)的粒子數（這樣情況稱(chēng)為離子數反轉），才能發(fā)出激光。
產(chǎn)生激光的三個(gè)條件是：實(shí)現粒子數反轉、滿(mǎn)足閾值條件和諧振條件。產(chǎn)生光的受激發(fā)射的首要條件是粒子數反轉，在半導體中就是要把價(jià)帶內的電子抽運到導帶。為了獲得離子數反轉，通常采用重摻雜的P型和N型材料構成PN結，這樣，在外加電壓作用下，在結區附近就出現了離子數反轉—在高費米能級EFC以下導帶中貯存著(zhù)電子，而在低費米能級EFV以上的價(jià)帶中貯存著(zhù)空穴。
實(shí)現粒子數反轉是產(chǎn)生激光的必要條件，但不是充分條件。要產(chǎn)生激光，還要有損耗極小的諧振腔，諧振腔的主要部分是兩個(gè)互相平行的反射鏡，激活物質(zhì)所發(fā)出的受激輻射光在兩個(gè)反射鏡之間來(lái)回反射，不斷引起新的受激輻射，使其不斷被放大。只有受激輻射放大的增益大于激光器內的各種損耗，即滿(mǎn)足一定的閾值條件:
P1P2exp(2G-2A)≥1
（P1、P2是兩個(gè)反射鏡的反射率，G是激活介質(zhì)的增益系數，A是介質(zhì)的損耗系數，exp為常數），才能輸出穩定的激光，
另一方面，激光在諧振腔內來(lái)回反射，只有這些光束兩兩之間在輸出端的相位差Δф=2qπq=1、2、3、4。。。。時(shí)，才能在輸出端產(chǎn)生加強干涉，輸出穩定激光。設諧振腔的長(cháng)度為L(cháng)，激活介質(zhì)的折射率為N，則
Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，
上式可化為f=qc/2NL該式稱(chēng)為諧振條件，它表明諧振腔長(cháng)度L和折射率N確定以后，只有某些特定頻率的光才能形成光振蕩，輸出穩定的激光。這說(shuō)明諧振腔對輸出的激光有一定的選頻作用。
二、激光二極管本質(zhì)
激光二極管本質(zhì)上是一個(gè)半導體二極管，按照PN結材料是否相同，可以把激光二極管分為同質(zhì)結、單異質(zhì)結（SH）、雙異質(zhì)結（DH）和量子阱（QW）激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)，是目前市場(chǎng)應用的主流產(chǎn)品。同激光器相比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)，但其輸出功率?。ㄒ话阈∮?mW），線(xiàn)性差、單色性不太好，使其在有線(xiàn)電視系統中的應用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號。在雙向光接收機的回傳模塊中，上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。
半導體激光二極管的基本結構如圖所示，垂直于PN結面的一對平行平面構成法布里——珀羅諧振腔，它們可以是半導體晶體的解理面，也可以是經(jīng)過(guò)拋光的平面。其余兩側面則相對粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。
半導體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復合。當半導體的PN結加有正向電壓時(shí)，會(huì )削弱PN結勢壘，迫使電子從N區經(jīng)PN結注入P區，空穴從P區經(jīng)過(guò)PN結注入N區，這些注入PN結附近的非平衡電子和空穴將會(huì )發(fā)生復合，從而發(fā)射出波長(cháng)為λ的光子，其公式如下：
λ=hc/Eg(1)
式中：h—普朗克常數；c—光速；Eg—半導體的禁帶寬度。
上述由于電子與空穴的自發(fā)復合而發(fā)光的現象稱(chēng)為自發(fā)輻射。當自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過(guò)半導體時(shí)，一旦經(jīng)過(guò)已發(fā)射的電子—空穴對附近，就能激勵二者復合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載流子復合而發(fā)出新光子現象稱(chēng)為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會(huì )形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數反轉。
當有源層內的載流子在大量反轉情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復反射而產(chǎn)生感應輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說(shuō)對某一頻率具有增益。當增益大于吸收損耗時(shí)，就可從PN結發(fā)出具有良好譜線(xiàn)的相干光——激光，這就是激光二極管的簡(jiǎn)單原理。
隨著(zhù)技術(shù)和工藝的發(fā)展，目前實(shí)際使用的半導體激光二極管具有復雜的多層結構。
常用的激光二極管有兩種:①PIN光電二極管。它在收到光功率產(chǎn)生光電流時(shí)，會(huì )帶來(lái)量子噪聲。②雪崩光電二極管。它能夠提供內部放大,比PIN光電二極管的傳輸距離遠，但量子噪聲更大。為了獲得良好的信噪比，光檢測器件后面須連接低噪聲預放大器和主放大器。
半導體激光二極管的工作原理，理論上與氣體激光器相同。
激光二極管本質(zhì)上是一個(gè)半導體二極管，按照PN結材料是否相同，可以把激光二極管分為同質(zhì)結、單異質(zhì)結（SH）、雙異質(zhì)結（DH）和量子阱（QW）激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)，是目前市場(chǎng)應用的主流產(chǎn)品。同激光器相比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)，但其輸出功率?。ㄒ话阈∮?mW），線(xiàn)性差、單色性不太好，使其在有線(xiàn)電視系統中的應用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號。在雙向光接收機的回傳模塊中，上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。
半導體激光二極管的常用參數有：
（1）波長(cháng)：即激光管工作波長(cháng)，目前可作光電開(kāi)關(guān)用的激光管波長(cháng)有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。
（2）閾值電流Ith：即激光管開(kāi)始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對一般小功率激光管而言，其值約在數十毫安，具有應變多量子阱結構的激光管閾值電流可低至10mA以下。
（3）工作電流Iop：即激光管達到額定輸出功率時(shí)的驅動(dòng)電流，此值對于設計調試激光驅動(dòng)電路較重要。
（4）垂直發(fā)散角θ⊥：激光二極管的發(fā)光帶在垂直P(pán)N結方向張開(kāi)的角度，一般在15?~40?左右。
（5）水平發(fā)散角θ∥：激光二極管的發(fā)光帶在與PN結平行方向所張開(kāi)的角度，一般在6?~10?左右。
（6）監控電流Im：即激光管在額定輸出功率時(shí)，在PIN管上流過(guò)的電流。
激光二極管在計算機上的光盤(pán)驅動(dòng)器，激光打印機中的打印頭等小功率光電設備中得到了廣泛的應用。
