半导体 激光器工作原理及主要参数

又称为(LD,Laser Diode),是采用 半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类。常用材料有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)。激励方式有电注入、电子束 激励和光泵浦激励三种形式。半导体激光器件,一般可分为同质结、单异质结、双异质结。同质结 激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件,而双异 质结激光器室温时可实现连续工作。半导体 激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制,因此半 导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、、激光医疗、、自动控制、检测仪 器等领域得到了广泛的应用。

  半导体 激光器工作原理是:通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半 导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非 平衡载流子的粒子数反转,当处于 粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体 激光器的激励方式主要有三种:电注入式、电子束 激励式和光泵浦激励式。电注入 式半导体激光器一般是由GaAS(砷化镓)、InAS(砷化铟)、Insb(锑化铟)等材料 制成的半导体面结型二极管,沿正向 偏压注入电流进行激励,在结平 面区域产生受激发射。电子束 激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶(PbS、CdS、ZhO等)作为工作物质,通过由 外部注入高能电子束进行激励。光泵浦 激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶(GaAS、InAs、InSb等)作为工作物质,以其它 激光器发出的激光作光泵激励。

  目前在 半导体激光器件中,性能较好、应用较广的是:具有双 异质结构的电注入式GaAs二极管半导体激光器。

  半导体 光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体 材料中存在着导带和价带,导带上 面可以让电子自由运动,而价带 下面可以让空穴自由运动,导带和 价带之间隔着一条禁带,当电子 吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电,而带有 电能的电子从导带跳回价带,又可以 把电的能量变成光,这时材 料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。

  小功率半导体激光器(信息型激光器),主要用 于信息技术领域,例如用 于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器(DFB-LD)、窄线宽可调谐激光器、用于光 盘等信息处理领域的可见光波长激光器(405nm、532nm、635nm、650nm、670nm)。这些器件的特征是:单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。

  大功率半导体激光器(功率型激光器),主要用于泵浦源、系统、印刷行业、生物医疗等领域。

  半导体 激光器主要参数:

  波长nm:激光器工作波长,例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。

  阈值电流Ith:激光二 极管开始产生激光振荡的电流,对小功 率激光器而言其值约在数十毫安。

  工作电流Iop:激光二 极管达到额定输出功率时的驱动电流,此值对 于设计调试激光驱动电路较重要。

  垂直发散角θ⊥:激光二 极管的发光带在与PN结垂直 方向张开的角度,一般在15°~40°左右。

  水平发散角θ∥:激光二 极管的发光带在与PN结平行 方向张开的角度,一般在6°~ 10°左右。

  监控电流Im :激光二 极管在额定输出功率时在PIN管上流过的电流。

  半导体 激光器主要向两个方向发展:一类是 以传递信息为主的信息型激光器;另一类 是以提高光功率为主的功率型激光器。在泵浦 固体激光器等应用的推动下,高功率 半导体激光器取得了突破性进展,其标志 是半导体激光器的输出功率显著增加,国外千 瓦级的高功率半导体激光器已经商品化,国内样 品器件输出已达到600W。未来,半导体 激光器的发展趋势主要在高速宽激光器、大功率激光器、短波长激光器、中器等方面。

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