第八讲半导体激光器(一)
第八讲 半导体激光器（一）
主要内容 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的基本结构
主要内容 • 半导体激光器的工作原理 • 半导体激光器的基本结构
半导体激光器工作原理 半导体激光器是向半导体PN结 注入电流,实现粒子数反转分布, 产生受激辐射,并利用光学谐振腔 的正反馈实现光放大而产生激光
半导体激光器工作原理 半导体激光器是向半导体PN结 注入电流，实现粒子数反转分布， 产生受激辐射，并利用光学谐振腔 的正反馈实现光放大而产生激光
半导体激光器工作原理 光与物质相互作用的三种基本方式 粒子数反转分布 °激光振荡和光学谐振腔
半导体激光器工作原理 • 光与物质相互作用的三种基本方式 • 粒子数反转分布 • 激光振荡和光学谐振腔
光与物质相互作用的三种基本方式 自发辐射—无外界激励而高能级电子 自发跃迁到低能级,同时释放出光子。 受激辐射—高能级电子受到外来光作 用,被迫跃迁到低能级,同时释放出光 子,且产生的新光子与外来激励光子同 频同方向,为相干光 受激吸收—低能级电子在外来光作用 下吸收光能量而跃迁到高能级
光与物质相互作用的三种基本方式 • 自发辐射——无外界激励而高能级电子 自发跃迁到低能级，同时释放出光子。 • 受激辐射——高能级电子受到外来光作 用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光 子，且产生的新光子与外来激励光子同 频同方向，为相干光。 • 受激吸收——低能级电子在外来光作用 下吸收光能量而跃迁到高能级
初态 hf El 终态 hf hf El (a)受激吸收 (b)自发辐射 (c)受激辐射 能级与电子跃迁示意图
E2 E1 E2 E1 hf12 hf12 hf12 hf12 初态 终态 (a)受激吸收 (b)自发辐射 (c)受激辐射 能级与电子跃迁示意图
粒子数反转分布 设在单位物质中低能级电子数和高能 级电子数分别为N和N物质在正常状态下 N1>N2,受激吸收与受激辐射的速率分别 比例子N和N2且比例系数相等,此时光通 过该物质时,光强会衰减,物质为吸收 物质。若N2>N,受激吸收小于受激辐射, 光通过该物质时,光强会放大,该物质 成为激活物质。N2>N的分布与正常状态 相反,故称为粒子数反转分布
粒子数反转分布 设在单位物质中低能级电子数和高能 级电子数分别为N1和N2物质在正常状态下 N1＞N2，受激吸收与受激辐射的速率分别 比例于N1和N2且比例系数相等，此时光通 过该物质时，光强会衰减，物质为吸收 物质。若N2＞N1，受激吸收小于受激辐射， 光通过该物质时，光强会放大，该物质 成为激活物质。N2＞N1的分布与正常状态 相反，故称为粒子数反转分布
半导体的能带和电子分布 能量 价带 E E/2 E E E E E/2 E ○ E ○○ 价带 (a)本征半导体 (bN型半导体 (c)P型半导体 ○空穴 ●电子
半导体的能带和电子分布 能量 价带 价带 Eg Ef Ef /2 Ef /2 Eg Ef Ee Ev Ev Ee Eg Ef Ee Ev (a)本征半导体 (b)N型半导体 (c)P型半导体 空穴 电子
能带电子所处的能态扩展成的连续分布的能级。 ·价带——能量低的能带 导带——能量高的能带 禁带g—导带底的能量Ee和价带顶能量Ew间的能量差 在热平衡状态下,能量为的能级被电子占据的概率为费米分布 °(E) E-E I+ expL Kr 费米能级 -用于描述半导体中各能级被电子占据的状态,在 费米能级,被电子占据和空穴占据的概率相同。在本征半导体中 Er位于禁带中央;N型半导体中E增大;在P型半导体中E减小
• 能带——电子所处的能态扩展成的连续分布的能级。 • 价带——能量低的能带。 • 导带——能量高的能带。 • 禁带Eg——导带底的能量Ee和价带顶能量Ev间的能量差 • 在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 • 费米能级 ——用于描述半导体中各能级被电子占据的状态，在 费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。在本征半导体中， • 位于禁带中央；N型半导体中 增大；在P型半导体中 减小。 1 exp[ ] 1 ( ) KT E E P E − f + = E f E f E f
P PN 区 结空 +++ 间电 场区 P区 °8°E 能量 E N区 E E E P sB.EN EP ht E PN结的能带和电子分布
PN结的能带和电子分布 PN 结空 间电 场区 P 区 N 区 + + + + + + Ef 能量 Ee P EV P Ee N EV N P区 N区 EV P Ee P Ee N EV N Ef N Ef P hf hf