第三章光源 03.1基础知迟 03.2半导体邀光器(LD) o3.3半导体发光二极管(LED) o3.4半导体激光器(LD)与发光二极管 (LED)的比较
第三章 光 源 3.1 基础知识 3.2 半导体激光器（LD） 3.3 半导体发光二极管（LED） 3.4 半导体激光器（LD）与发光二极管 （LED）的比较
3.1基础知识 01.光子的概念 。已经证明光具有波粒二象性。在传播特性方面，表现出波动 性。如反射、偏振等现象；在与物质相互作用时，又表现出 粒子性。如黑体辐射、光电效应中表现出的粒子所具有的动 量和能量性质。在光量子学说中，光波看作是由量子化的微 粒组成的电磁场，这些量子化的微粒称为光量子，即光子。 0一个光子能量E为 E=hf (3-1) 。式(3-1)中，h为普朗克常数（h=6.628×10-34J·s（焦 耳·秒))，f为光波频率。 下一页返回
3.1 基础知识 1. 光子的概念 已经证明光具有波粒二象性。在传播特性方面，表现出波动 性。如反射、偏振等现象；在与物质相互作用时，又表现出 粒子性。如黑体辐射、光电效应中表现出的粒子所具有的动 量和能量性质。在光量子学说中，光波看作是由量子化的微 粒组成的电磁场，这些量子化的微粒称为光量子，即光子。 一个光子能量E为 式（3-1）中，h为普朗克常数（ （焦 耳·秒）），f为光波频率。 下一页 返回 h = J s −34 6.628 10 E = hf （3-1）
3.1基础知识 。2.电注入半导体发光 0(1)原子能级 。物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原 子有不同稳定状态的能级。最低的能级E称为基态，能量比 基态大的所有其他能级E;（=2,3,4,.…)都称为激发态。 当电子从较高能级E2跃迁至较低能级E1时，其能级间的能量 差为 △E=E2-E, (3-2) 。跃迁的结果是释放出光子，这个能量差与辐射光的频率f21之 间有以下关系式 △E=E2-E1=hf21 （3-3) 上一页下一页返回
3.1 基础知识 2. 电注入半导体发光 （1）原子能级 物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原 子有不同稳定状态的能级。最低的能级E1称为基态，能量比 基态大的所有其他能级Ei（i=2，3，4，…）都称为激发态。 当电子从较高能级E2跃迁至较低能级E1时，其能级间的能量 差为 跃迁的结果是释放出光子，这个能量差与辐射光的频率f21之 间有以下关系式 上一页 下一页 返回 E = E2 − E1 （3-2） E = E2 − E1 = hf 21 （3-3）
3.1基础知识 。(2)电注入半导体发光 。由于半导体是由大量原子周期有序的排列构成的共价晶体， 相邻原子之间的相互作用使得电子在整个半导体中进行共有 化运动，所处的离散能态扩展成连续分布的能带。 。在半导体的PN结中，其中心区域是空间电荷区。当PN结加 上正向电压时，多数载流子(P型半导体的多数载流子是空 穴，而N型半导体的多数载流子是电子)向空间电荷区运动， 产生电子和空穴的复合现象。复合时，电子从高能级的导带 跃迁到低能级的价带，并发射一定频率的光子。这就是电注 入半导体发光。 上一页下一页返回
3.1 基础知识 （2）电注入半导体发光 由于半导体是由大量原子周期有序的排列构成的共价晶体， 相邻原子之间的相互作用使得电子在整个半导体中进行共有 化运动，所处的离散能态扩展成连续分布的能带。 在半导体的PN结中，其中心区域是空间电荷区。当PN结加 上正向电压时，多数载流子（P型半导体的多数载流子是空 穴，而N型半导体的多数载流子是电子）向空间电荷区运动， 产生电子和空穴的复合现象。复合时，电子从高能级的导带 跃迁到低能级的价带，并发射一定频率的光子。这就是电注 入半导体发光。 上一页 下一页 返回
3.1基础知识 。3.光的发射与吸收过程 。光的发射和吸收是光与物质（原子)作用的结果，光与物质 的相互作用，使得组成物质的原子可以从一个能级跃迁到另 一个能级。 0光的发射和吸收行为，包括三种基本过程，即受激吸收、自 发辐射和受激辐射。 0(1)自发辐射 。处于高能级(E2)的原子，在不受外界作用的情况下，自发 地向低能态（E1)跃迁，并发射一个能量为hf21的光子，这 个过程称为自发辐射，如图3-1所示。 hf1 =E2-E (3-4) 上一页下一页返回
3.1 基础知识 3. 光的发射与吸收过程 光的发射和吸收是光与物质（原子）作用的结果，光与物质 的相互作用，使得组成物质的原子可以从一个能级跃迁到另 一个能级。 光的发射和吸收行为，包括三种基本过程，即受激吸收、自 发辐射和受激辐射。 （1）自发辐射 处于高能级（E2）的原子，在不受外界作用的情况下，自发 地向低能态（E1）跃迁，并发射一个能量为hf21的光子，这 个过程称为自发辐射，如图3-1所示。 上一页 下一页 返回 hf21 = E2 − E1 （3-4）
3.1基础知识 。自发辐射的特点：因为每个原子的自发辐射过程都是独立进 行的，所以新发射的光子虽然频率相同，但其运动方向和初 位相是无序的；自发辐射产生的光是非相干光。 0自发辐射是发光二极管的理论基础。 。（2)受激辐射 。在高能级(E2)上的电子，受到能量为hf21的外来光子激 励（满足(3-4）式)，使电子被迫跃迁到低能级（E1) 上与空穴复合，同时释放出一个光子。由于这个过程是在外 来光子的激励下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射，如图 3-2所示。 上一页下一页返回
3.1 基础知识 自发辐射的特点：因为每个原子的自发辐射过程都是独立进 行的，所以新发射的光子虽然频率相同，但其运动方向和初 位相是无序的；自发辐射产生的光是非相干光。 自发辐射是发光二极管的理论基础。 （2）受激辐射 在高能级（ E2 ）上的电子，受到能量为hf21的外来光子激 励（满足（3-4）式），使电子被迫跃迁到低能级（ E1 ） 上与空穴复合，同时释放出一个光子。由于这个过程是在外 来光子的激励下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射，如图 3-2所示。 上一页 下一页 返回
3.1基础知识 0 受激辐射的特点：受激辐射产生的光子与外来激励光子的状 态完全相同，即两者不但同频率，而且同位相，同偏振，同 传播方向，是相干光；当有大量原子处于能级时，就会发生 雪崩式的连锁反应，从而产生大量的受激辐射光子，这些光 子是相干的。 。受激辐射是半导体激光器的理论基础。 o（3)受激吸收 。在正常状态下，电子通常处于低能级E1,在入射光的作用下， 电子吸收光子的能量后（满足(3-4）式)跃迁到高能级E2, 产生光电流，这种跃迁称为受激吸收，如图3-3所示。 。受激吸收的特点：，受激吸收过程只要求外来光子的频率满足 (3-4)式，而对其偏振和运动方向没有特殊要求，受激吸 收也称共振吸收；使光衰减。 上一页下一页返回
3.1 基础知识 受激辐射的特点：受激辐射产生的光子与外来激励光子的状 态完全相同，即两者不但同频率，而且同位相，同偏振，同 传播方向，是相干光；当有大量原子处于能级时，就会发生 雪崩式的连锁反应，从而产生大量的受激辐射光子，这些光 子是相干的。 受激辐射是半导体激光器的理论基础。 （3）受激吸收 在正常状态下，电子通常处于低能级E1，在入射光的作用下， 电子吸收光子的能量后(满足（3-4）式)跃迁到高能级E2， 产生光电流，这种跃迁称为受激吸收，如图3-3所示。 受激吸收的特点：受激吸收过程只要求外来光子的频率满足 （3-4）式，而对其偏振和运动方向没有特殊要求，受激吸 收也称共振吸收；使光衰减。 上一页 下一页 返回
3.1基础知识 04.粒子数反转 。受激辐射是半导体激光器发光的基础。而要在此基础上，实 现光放大，则必须实现粒子数反转。 。设低能级上的粒子数密度为N1,高能级上的粒子数密度为N 2,在正常状态下，N1>N2,即受激吸收大于受激辐射。 若想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收， 即：使N2>N1,这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子） 数反转分布。 。粒子数反转分布是使物质产生光放大而发光的必要条件。 上一页 返回
3.1 基础知识 4. 粒子数反转 受激辐射是半导体激光器发光的基础。而要在此基础上，实 现光放大，则必须实现粒子数反转。 设低能级上的粒子数密度为N1，高能级上的粒子数密度为N 2，在正常状态下， N1 ＞ N2，即受激吸收大于受激辐射。 若想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收， 即：使N2 ＞ N1，这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子） 数反转分布。 粒子数反转分布是使物质产生光放大而发光的必要条件。 上一页 返回
3.2半导体激光器（LD) 。1.激光器的基本结构 。激光器的基本结构如图3-4所示，它是由三部分组成的，即： 工作物质、谐振腔（半反镜和全反镜）和泵浦源（激励源-一 电源)。 0(1)工作物质 。要使受激辐射过程成为主导过程，必要条件是在介质中造成 粒子数反转分布，即：使介质激活。有各种各样的物质，在 一定的外界激励条件下，都有可能成为激活介质，因而可能 产生光及光放大。它们有固体、气体、液体和半导体。这样 的一些能产生激光的物质就是工作物质。如红宝石激光器的 工作物质是参铬离子的氧化铝晶体。 下一页 返回
3.2 半导体激光器（LD） 1. 激光器的基本结构 激光器的基本结构如图3-4所示，它是由三部分组成的，即： 工作物质、谐振腔（半反镜和全反镜）和泵浦源（激励源-- 电源）。 （1）工作物质 要使受激辐射过程成为主导过程，必要条件是在介质中造成 粒子数反转分布，即：使介质激活。有各种各样的物质，在 一定的外界激励条件下，都有可能成为激活介质，因而可能 产生光及光放大。它们有固体、气体、液体和半导体。这样 的一些能产生激光的物质就是工作物质。如红宝石激光器的 工作物质是掺铬离子的氧化铝晶体。 下一页 返回
3.2半导体激光器(LD) 。(2)泵浦源 。要使工作物质成为激活介质，需要有外界的激励。激励方法 有光激励、电激励和化学激励等，而每种激励都需要有外加 的激励源，即泵浦源。它的作用就是使介质中处于基态能级 的粒子不断地被提升到较高的一些激发态能级上，实现粒子 数反转分布(N2>N1)。 。光纤通信使用的半导体激光器，一般使用电激励。 上一页下一页返回
3.2 半导体激光器（LD） （2）泵浦源 要使工作物质成为激活介质，需要有外界的激励。激励方法 有光激励、电激励和化学激励等，而每种激励都需要有外加 的激励源，即泵浦源。它的作用就是使介质中处于基态能级 的粒子不断地被提升到较高的一些激发态能级上，实现粒子 数反转分布（N2＞N1）。 光纤通信使用的半导体激光器，一般使用电激励。 上一页 下一页 返回