激光器简介

激光器是一种光学振荡器，电学中有RC振荡电路和LC振荡电路，如果你学过电路基础的知识，那么你完全可以将激光器类比成电学的振荡器，激光器也会存在着电学振荡电路中的时间常数，增益特性等等。激光器作为一种光学振荡器，它主要由光学放大器和反馈系统组成，它的基础是受激辐射，激光器在工作时，输出的部分激发光经由反馈系统（在满足一定的位相匹配条件下）回到放大器的输入端，作为放大器的输入信号，如此往复循环实现反馈放大，由于激光器本身存在一定的损耗，当激光器的增益与激光器的损耗相弥补时，达到稳态，激光器输出信号保持不变输出。所以在激光器中光信号发生变化的主要是信号的幅值和位相，二者两者都是频率的函数，因此在激光器本身具有选频的作用，只有合适的频率的光信号才能”存活“下来并得到放大（再稍微解释一下，要想实现光放大并不仅需要幅值被放大，同时也是需要位相能够匹配的，也就是光在谐振腔中往返一周后位相变化只能是2π的整数倍，因此只有既满足幅值放大条件的频率和位相匹配条件的频率才能够到达放大的目的）。

要实现激光振荡，必须满足以下两个条件：a.放大器的小信号增益必须大于整个反馈系统的损耗，也就是说在整个反馈回路中要存在净增益；b.光在振荡器的整个回路中往返一周的总位相偏移量必须是2π的整数倍，只有这样反馈输出信号的位相与原始输入信号的位相刚好相匹配。这两个条件都是非常天然的，无论是光学或者电学的振荡器都是需要满足这样的条件的。在满足这两个条件激光器可以发生振荡后，现在的问题是该考虑一下怎样使得激光器“刹车”，这点也和电学很相似，激光器有着一个最基本的性质——增益饱和机制，也就是随着输出功率的增加，放大器出现饱和现象，与初始状态相比系统的增益逐渐下降，当增益降低到与系统的损耗值相等时，系统达到稳定状态，输出保持恒定。

半导体激光器的结构和工作原理分析

现以砷化镓（GaAs）激光器为例，介绍注入式同质结激光器的工作原理。

　　1．注入式同质结激光器的振荡原理。由于半导体材料本身具有特殊晶体结构和电子结构，故形成激光的机理有其特殊性。

　　（1）半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。

　　（2）掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。

　　有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。

　　半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为（2－5）× 1018cm-1；p型为（1－3）×1019cm-1。

　　在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。

　　（3）p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。

　　要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大（如30000A/cm2）。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。

　　2．半导体激光器结构。其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。

　　半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面（110面）构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95％以上的反射率。

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