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半导体激光器开卷考试学习资料
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半导体激光器开卷考试学习资料
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半导体激光器边发射半导体激光器垂直腔面发射激光器VCSEL激光产生条件激光原理半导体激光器的水容器模型有源半导体区域类型和载流子注入发光二极管LED参考文献 半导体激光器
概述
定义利用半导体材料通过电注入泵浦产生激光的器件。市场份额约占当今商用激光器的99%。效率壁插效率高达40-50%远高于其他类型激光器。
特点
高效率电能转化为光能效率高。小型化体积小便于集成。广泛应用通信、显示、传感等多个领域。
应用
光纤通信、激光打印、光存储、医疗设备、消费电子等。 边发射半导体激光器
1. 典型商用器件尺寸
尺寸约1毫米。
2. 激光谐振腔法布里-珀罗F-P腔
组成 波导芯折射率高于包层的半导体材料引导光传播。前后镜面半导体晶体的解理面原子级光滑反射率约30%。
3. 激光增益电子-空穴对
有源材料通过P-N结电泵浦注入电子和空穴产生光学增益。结构 P区掺杂区域接阳极。N区掺杂区域接阴极。金属触点虚线部分电流注入。
4. 特点
优点 腔尺寸小功耗低。器件成本低。 缺点 输出窗口小衍射角大。对准和封装复杂且昂贵。
举例
比较边发射激光器如同便宜但需精密安装的光学设备气体激光器则需高反射率镜面如高质量望远镜。 垂直腔面发射激光器VCSEL
1. 测试优势
原位测试激光发射方向垂直于晶片表面制造过程中可直接测试提高效率和良率。
2. 结构
典型横截面 电流注入层高反射顶部镜面分布式布拉格反射器DBR反射率达99.9%氧化层激光腔与增益区高反射底部镜面同样由DBR构成 腔内光往返距离短仅为波长/折射率的整数倍需高反射镜面。
3. 应用市场
智能手机人脸识别 VCSEL阵列作为光源通过衍射光学元件DOE扩展为数万个光斑用于面部识别和深度感知。
举例
手机应用使用VCSEL阵列发射微小光点形成结构光图案帮助手机精准捕捉面部特征。 激光产生条件激光原理
1. 相位条件
定义激光波长需与腔的共振频率匹配形成稳定光场。数学表达$ Arg(glf) 0 $
2.振幅条件
定义增益 $ g $ 等于损耗 $ \alpha $。数学表达$ |glf| 1 $ 或 $ glf 1 $阈值条件$ g \alpha $
3. 阈值以下和以上情况
阈值以下 $ g \alpha $无法产生激光。增益随泵浦增加而增加。 阈值以上 $ g $ 被限制为 $ g_{th} \alpha $。激光输出功率随泵浦增加而线性增加。L-I曲线阈值以下无激光输出阈值以上线性增加。
举例
水池类比水池水位对应载流子数量水龙头注水对应电流注入。达到阈值后水池溢出产生激光水位保持不变。 半导体激光器的水容器模型
类比说明
水量对应载流子数量电子和空穴。水龙头注水对应载流子注入电流注入。容器顶部激光阈值。水流出 自发辐射水自然溢出。非辐射复合通过小孔流出。
激光阈值
条件注入电流足够大克服泄漏达到并超过阈值产生激光。
举例
水池溢出注入水量超过泄漏量水池水位达到溢出点激光产生。 有源半导体区域类型和载流子注入
1. P-N结
问题简单P-N结中电子和空穴限制不佳难以达到透明$ g 0 $。
2. 双异质结构
定义由两种不同半导体材料形成的结。双异质结构PIN结 优势 限制电子和空穴在较低带隙区域。载流子和光子空间重叠提高光学增益。 举例多层蛋糕不同层材料限制载流子分布提高放大效率。
3. 量子阱
定义在有源区引入纳米级薄层限制载流子在垂直方向上的运动。技术金属有机化学气相沉积MOCVD生长的量子阱。优势 阈值低需要更低的注入电流。效率高提高光学增益。 态密度DOS 体半导体态密度随能量平方增长。量子阱态密度在特定能量上有离散峰值。
4. 量子线、量子点
量子线载流子在二维方向上被限制。量子点载流子在三维方向上被限制。优势 激光阈值进一步降低。激光效率进一步提高。 制备通过自组装技术如Stranski-Krastanov生长模式。
举例
结构比喻 量子阱薄纸片载流子在平面内运动。量子线细丝载流子在一维方向上运动。量子点小球载流子在所有三维方向上运动。 发光二极管LED
概述
定义未达到激光阈值的激光器件通过自发辐射发光。特点每个模式中的光子数远小于1受激辐射可忽略。
应用
固态照明LED灯泡节能且寿命长。LCD显示器背光提供均匀光源。短距离通信如遥控器、光纤通信光源。
技术改进
颜色调整半导体材料和结构实现不同颜色。效率提高光电转换效率减少能量损耗。有机LEDOLED使用有机材料具有柔性和透明特点广泛用于显示技术。
举例
照明对比传统白炽灯效率低LED灯泡更节能。显示技术OLED显示屏实现柔性曲面显示应用于最新智能手机和电视。
