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什么是二極管激光器？
2023-5-29 閱讀(943)
什么是二極管激光器？
激光是通過受激輻射進(jìn)行光放大的首字母縮寫。 它是通過使用諧振器放大光（電磁波）獲得的人造光事件。
激光的原理是原子和分子通常以一定的能量運動。 當(dāng)從外部接收能量時，這些原子和分子以更高的能量移動。 這稱為激發(fā)態(tài)。 一段時間后，原子和分子呼出多余的能量，并試圖恢復(fù)到原來的能量狀態(tài)。 此時，呼出的多余能量以光的形式釋放到外部。 這稱為“自發(fā)釋放"。 當(dāng)這種光與其他高能原子或分子碰撞時，從中發(fā)出相同性質(zhì)的光。 這稱為“受激發(fā)射"。 通常，具有高能量的原子和分子的數(shù)量很少，因此發(fā)射的光非常微弱，但是如果以某種方式增加具有高能量的原子和分子的數(shù)量，則在雪崩現(xiàn)象中發(fā)生受激發(fā)射，并發(fā)出強大的光。 這是光的放大。 此外，如果鏡子在特定條件下面對面放置（稱為諧振器）并且發(fā)射的光被反復(fù)反射，則光會向特定方向放大，使其更加強大。 這就是激光的原理。
半導(dǎo)體激光器根據(jù)上述原理的半導(dǎo)體pn結(jié)構(gòu)型，通過向結(jié)中注入電流產(chǎn)生大量的電子-空穴對，并利用它們重新組合時的發(fā)光來振蕩激光器。 作為一種結(jié)構(gòu)，經(jīng)常使用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中發(fā)生電子和空穴復(fù)合的活性層夾在具有較大帶隙的p型和n型半導(dǎo)體之間。
對于激光振蕩，需要一個諧振器來共振光。 作為在半導(dǎo)體激光器中構(gòu)建諧振器的方法，使用諧振器平行于半導(dǎo)體基板表面配置并從解理表面提取光的端面發(fā)光型，以及諧振器垂直于半導(dǎo)體襯底表面配置的表面發(fā)射型。
有些在半導(dǎo)體激光器外部有一個諧振器。
半導(dǎo)體激光器的振蕩和特性
與其他類型的二極管激光器相比，它們具有體積小、效率高、電壓低、功耗低、壽命超長等特性，廣泛應(yīng)用于光電領(lǐng)域。 半導(dǎo)體激光器有時被稱為二極管激光器，發(fā)光二極管（LED）是基礎(chǔ)。
發(fā)光二極管（LED）的發(fā)光原理
LED燈顏色的差異
下圖說明了發(fā)射波長因半導(dǎo)體材料而異。 當(dāng)電子從高能導(dǎo)帶下降到低能價帶時，p-n結(jié)中空穴和電子之間的耦合就會發(fā)生。 這種能量差越大，能量光越高，即波長越短的光。 由于能量差（禁止帶的寬度）因半導(dǎo)體材料而異，因此請選擇與要發(fā)光的顏色相匹配的禁止帶材料并制作發(fā)光二極管（LED）。 在圖2中，藍(lán)色和綠色材料都是InGaN，但通過改變In/Ga比來調(diào)整發(fā)射顏色。
白光LED發(fā)光機理
使用發(fā)光二極管（LED）發(fā)射白光有三種機制，如圖3所示。
（1）它是藍(lán)光LED和熒光粉的組合，發(fā)出黃光。 黃色是藍(lán)色的互補色，因此藍(lán)色和黃色混合在一起，看起來是白色的。 這種方法很容易并且受歡迎，因為它具有強光，但缺點是看起來有點藍(lán)色。
（2）這是一種用紫外線LED發(fā)射藍(lán)色、綠色和紅色熒光粉的方法。 它看起來像自然而美麗的白光，但它仍然不能產(chǎn)生像方法（1）那樣強的光。
（3） 此方法發(fā)出三個 LED：藍(lán)色、綠色和紅色。 由于它具有強光并且可以發(fā)出全彩，因此用于顯示照明和LED屏幕。
發(fā)光二極管 （LED） 和二極管激光器 （LD） 之間的區(qū)別
半導(dǎo)體激光器 （LD） 是與發(fā)光二極管 （LED） 非常相似的半導(dǎo)體發(fā)光器件。 兩者有什么區(qū)別？ 在p-n結(jié)中結(jié)合電子和空穴發(fā)光的原理是相同的，但發(fā)出的光的性質(zhì)是不同的。 LED的光靠近燈泡并且具有不同的相位，因此它擴(kuò)散，但是LD的光處于相位對齊狀態(tài)，因此它變成了直線光線。 這種差異是由于LED將發(fā)射的光照原樣發(fā)射到外部，而LD被設(shè)計為對齊相位。 此外，LD光很容易入射到光纖上，因為光是從窄發(fā)光層的端面發(fā)出的，但是LED光來自寬發(fā)光層的整個表面，因此很難入射到芯徑小的光纖上。
半導(dǎo)體激光器如何實現(xiàn)倒置分布？
為了使感應(yīng)輻射更容易發(fā)生，到目前為止已經(jīng)提到，高能量導(dǎo)帶中的電子與低能量價帶中的電子數(shù)之比的狀態(tài)稱為倒分布。
在紅寶石激光器的情況下，氙氣燈用于實現(xiàn)倒置分布。 但是，半導(dǎo)體激光器不使用這種方法，而是以某種方式將電子注入導(dǎo)帶。 不使用高功耗的大型氙氣燈，這也是半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低的原因。
半導(dǎo)體激光器有多種類型，但常用的是下圖所示的具有稱為雙異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)。
雙異質(zhì)結(jié)具有如圖所示的夾層結(jié)構(gòu)。 它是具有大帶隙的P型和N型包層（涂層），夾在帶隙小的活性層中。 當(dāng)從熔覆層中提供的外部電極向前施加電壓時，從P型熔覆層注入空穴到活性層中，電子從N型熔覆層注入活性層。 因此，活動層處于反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。 在這里，受激輻射有效地發(fā)生。
半導(dǎo)體激光器的激光振蕩
發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器之間最大的區(qū)別在于是否存在這種激光振蕩。 紅寶石激光器具有配合鏡結(jié)構(gòu)，但半導(dǎo)體激光器也具有配合鏡結(jié)構(gòu)。
如上圖所示，由于折射率（解理面）的差異，活性層的兩側(cè)都是反射器。 此外，活性層和熔覆層之間反映了折射率的差異，并且光線不易泄漏到熔覆層中。 從這兩點開始，光被限制在有源層中，隨著感應(yīng)輻射的重復(fù)，光被放大并作為激光發(fā)射到外部。 因此，當(dāng)反射環(huán)達(dá)到平衡時，激光達(dá)到連續(xù)振蕩。
