【转帖】半导体激光二极管工作原理

燕子山

作者：佚名  来源：不详  发布时间：2008-3-27 1:16:12
减小字体 增大字体

一、激光的产生机理
在讲激光产生机理之前，先讲一下受激辐射。在光辐射中存在三种辐射过程，

一时处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为自发辐射；

二是处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为受激辐射；

三是处于低能态的粒子吸收外来光的能量向高能态跃迁称之为受激吸收。

自发辐射，即使是两个从某一高能态向低能态跃迁的粒子，发出光的相位、偏振、发射方向也不同，但受激辐射就不同，当位于高能态的粒子在外来光子的激发下向低能态跃迁，发出在频率、相位、偏振等与外来光子的光。在激光器中，发生的辐射受激辐射，它发出的激光在频率、相位、偏振等一样。的受激发光系统，即有受激辐射，也有受激吸收，只有受激辐射占优势，才能把外来光放大而发出激光。而光源中都是受激吸收占优势，只有粒子的平衡态被打破，使高能态的粒子数大于低能态的粒子数（称为离子数反转），才能发出激光。

产生激光的三个条件是：实现粒子数反转、满足阈值条件**振条件。产生光的受激发射的首要条件是粒子数反转，在半导体中要把价带内的电子抽运到导带。离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，，在外加电压作用下，在结区附近就了离子数反转—在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子，而在低费米能级EFV的价带中贮存着空穴。实现粒子数反转是产生激光的必要条件，但不是充分条件。要产生激光，还要有损耗极小的谐振腔，谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜，激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜来回反射，引起新的受激辐射，使其被放大。只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗，即满足的阈值条件:

P1P2exp(2G - 2A) ≥ 1

（P1、P2是两个反射镜的反射率，G是激活介质的增益系数，A是介质的损耗系数，exp为常数），才能输出稳定的激光，另一，激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两在输出端的相位差Δф =2qπ q=1、2、3、4。。。。时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为N，则

Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，

上式可化为f=qc/2NL该式称为谐振条件，它表明谐振腔长度L和折射率N确定，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。这说明谐振腔对输出的激光有的选频作用。

二、激光二极管本质上是一个半导体二极管，半导体激光二极管的基本结构如图，

垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里——珀罗谐振腔，是半导体晶体的解理面，也是抛光的平面。其余两侧面则粗糙，用以消除主方向外方向的激光作用。

半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：

λ = hc/Eg (1)

式中：h—普朗克常数； c—光速； Eg—半导体的禁带宽度。

上述电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。注入电流足够大，则会形成和热平衡相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转下，少量自发辐射产生的光子谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有谱线的相干光——激光，这激光二极管的简单原理。

半导体激光二极管在计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头等小功率光电设备中得到了的应用。

燕子山

作者：佚名  来源：不详  发布时间：2008-3-27 1:16:10
减小字体 增大字体

激光二极管本质上是一个半导体二极管，PN结材料是否，把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射都采用量子阱激光二极管光源。
半导体激光依波长及应用，大致可分为短波长与长波长激光两大类。短波长激光包含发光波长由390纳米到950纳米的激光，主要使用于光驱、激光打印机、条形码机、扫描仪及指示器等光信息及显示的应用；长波长激光则涵盖发光波长由980纳米至1550纳米之激光，主要用于光纤通讯。
以激光二极管的波长及操作的功率分类，从短波长到长波长激光二极管种类细分为以下四类。
（1）390～550纳米
（2）635～670纳米
（3）750～950纳米
（4）980～1550纳
常用的激光二极管种类有两种:①PIN光电二极管。它在收到光功率产生光电流时，会量子噪声。②雪崩光电二极管。它提供内部放大,比PIN光电二极管的传输距离远，但量子噪声更大。的信噪比，光检测器件须连接低噪声预放大

燕子山

作者：佚名  来源：不详  发布时间：2008-3-27 1:16:06
减小字体 增大字体

半导体激光依波长及应用，大致可分为短波长与长波长激光两大类。短波长激光包含发光波长由390纳米到950纳米的激光，主要使用于光驱、激光打印机、条形码机、扫描仪及指示器等光信息及显示的应用；长波长激光则涵盖发光波长由980纳米至1550纳米之激光，主要用于光纤通讯。

以激光二极管的波长及操作的功率分类，从短波长到长波长细分为以下四类。

激光二极管波长分类1. 390～550纳米︰此波段的激光二极管氮化铟镓/氮化铟镓/三氧化二铝或硒化锌两大材料系列所制成，其发光波长分别为390～440纳米与520纳米左右，最大的应用是在超高密度的储存系统，如：高分辨率的打印机或高密度DVD光驱等。

激光二极管波长分类2. 635～670纳米︰此波段的激光二极管主要用磷化铝铟镓／磷化铟镓/砷化镓材料所制成。5毫瓦以下的低操作功率激光二极管主要用在条形码阅读机、量测对准、激光指示器、及只读型光信息存取系统上，如：DVD-ROM光驱或数字式影碟机的应用。30毫瓦左右的中操作功率激光二极管用于可擦写型存取系统，如：DVD-R与DVD-RW烧录机。100毫瓦操作功率的激光二极管则用于激光打印机、固态激光激发源及医学上。

激光二极管波长分类3. 750～950纳米︰此波段的激光二极管主要用砷化铝镓／砷化镓材料所制成。5毫瓦以下的780纳米激光二极管是最早被大量生产的激光二极管，用在CD-ROM光驱、CD唱盘、CD游戏机等商品上。10毫瓦至1瓦的中级操作功率，30毫瓦的780纳米的激光二极管用于可擦写型存取系统，如：CD-R烧录机、可擦写式微光驱。500毫瓦至1瓦的808纳米激光二极管常做为钕钇铝石榴石激光的激励源，用在表演舞台的特殊效果。1瓦的高功率激光二极管，是用在激励大功率固态激光，以进行材料加工，或用于医学治疗上、数字印刷、艺术表演等。

激光二极管波长分类4. 980～1550纳米：此波段的激光二极管主要用砷化铝镓铟和砷磷化铟镓材料系列所制成，通常应用在长距离的光纤通讯，操作功率大于数10毫瓦至1瓦的激光二极管。其中最的是使用具有单模、稳频操作的1310纳米或1550纳米激光二极管，以做为光纤通讯的光源。，也用在光纤放大器的激发源的980纳米或1480纳米激光二极管。长距离光纤通讯朝向高传输速率及波长多任务系统发展，使用光纤放大器取代传统的电子式中继站正迅速发展。

燕子山

作者：佚名  来源：不详  发布时间：2008-3-27 1:16:04
减小字体 增大字体

激光二极管工作时发出的红光波长大约在６００ｎｍ左右，于激光打印机、ＣＤ机、条形码阅读器等设备上。激光二极管的符号如附图。从图中可知，激光二极管由两部分构成，一部分是激光发射部分ＬＤ，另一部分为激光接收部分ＰＤ。ＬＤ和ＰＤ两部分又有公共端点ｂ，公共端同管子的金属外壳，激光二极管上只有三个脚ａ、ｂ、ｃ。检测和判断激光二极管可按如下三个步骤进行。

激光二极管检测_ 区分ＬＤ和ＰＤ。 用万表的Ｒ×１ｋ挡分别测出激光二极管三个引脚两两的阻值，总有一次两脚间的阻值大约在几千欧姆左右，黑表笔所接的一端是ＰＤ阳极端，红表笔所接的引脚为公共端，剩下的一个引脚为ＬＤ阴极端，就区分出了ＰＤ部分（图中的ｂｃ部分）和ＬＤ部分（图中的ａｂ部分）。

激光二极管检测_检测ＰＤ部分。 激光二极管的ＰＤ部分实质上是一个光敏二极管，用万用表检测方法如下：用Ｒ×１ｋ挡测其阻值，若正向电阻为几千欧姆，反向电阻为无穷大，初步表明ＰＤ部分是好的；若正向电阻为０或为无穷大，则表明ＰＤ部分已坏。若反向电阻不是无穷大，而有几百千欧或上千千欧的电阻，说明ＰＤ部分已反向漏电，管子质量变差。

激光二极管检测_检测ＬＤ部分。 用万用表的Ｒ×１ｋ挡测ＬＤ部分的正向阻值，即黑表笔接公共端ｂ，红表笔接ａ脚，正向阻值应在１０ｋW～３０ｋW，反向阻值应为无穷大。若测得的正向阻值大于５５ｋW，反向阻值在１００ｋW以下，表明ＬＤ部分已严重老化，使用效果会变差。

[ 本帖最后由 燕子山 于 2008-7-23 12:07 编辑 ]

燕子山

作者：佚名  来源：不详  发布时间：2008-3-27 1:16:02
减小字体 增大字体

　　目前有多种类型脉冲驱动型半导体激光二极管可供：单异质结构和双异质结构的GaAs激光二极管、多层异质结构AlGaAs/GaAs激光二极管和MOCVD InGaAs量子阱型激光二极管等。考虑到散热以及对光输出功率的限制，以及特定应用对激光输出波形的，这些激光二极管以脉冲方式工作。选择适合的激光二极管，是设计激光发生器的第一步。

脉冲宽度减小，有利于更大峰值功率。当然，优良的激光二极管也只有与优良的驱动脉冲源配合，才最大限度地发挥器件潜能，并达到最佳运用。

yzbawrd

做个沙发，很好的帖:kiss:

aaa77770000

还以为是千瓦级的

Leey23

好贴!

zlfati

:o 专业啊!

SNAKELB

要学习呀

wys111

辛苦了！资料很详尽。

ilove3d

看不懂

superzbx

学习中……

wgsmogui

呵呵看过了

汾阳

如何用激光来做点烟呢？