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半導體激光器的發光原理
點擊次數：3495 時間：2025-01-10
半導(dao)體(ti)(ti)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)（SemiconductorLaser,或稱為(wei)激(ji)光(guang)(guang)二極(ji)管，LaserDiode,LD）的(de)(de)發光(guang)(guang)原理(li)基于半導(dao)體(ti)(ti)材料的(de)(de)受(shou)激(ji)輻(fu)射（StimulatedEmission）現象，類(lei)(lei)似于其他類(lei)(lei)型的(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)，如固體(ti)(ti)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)或氣體(ti)(ti)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)。其工作原理(li)可以(yi)分為(wei)以(yi)下幾(ji)個關鍵步驟：
1.半導體材(cai)料的能帶結構(gou)
半導體材料具有能(neng)帶結構，包括價帶和導帶。電(dian)子在價帶上，當吸收足(zu)夠的能(neng)量時(shi)，電(dian)子會躍遷到(dao)導帶，這(zhe)(zhe)種現象稱為電(dian)子激(ji)發。這(zhe)(zhe)種激(ji)發可以(yi)通(tong)過外加(jia)電(dian)流、光或熱(re)來實現。
2.注入電流和載流子復合
在(zai)半(ban)導(dao)體激光器中，首先通(tong)過(guo)電(dian)流(liu)注(zhu)(zhu)入（一般是(shi)通(tong)過(guo)電(dian)極）將電(dian)子和(he)空穴(xue)（正電(dian)荷載流(liu)子）注(zhu)(zhu)入到半(ban)導(dao)體的(de)活(huo)性區（通(tong)常是(shi)p-n結處）。這些電(dian)子和(he)空穴(xue)在(zai)活(huo)性區內(nei)會發生復合，即(ji)電(dian)子和(he)空穴(xue)相遇并結合，釋(shi)放出能量，形成光子。
3.光的受激輻射
當一(yi)(yi)個電(dian)子(zi)從導(dao)帶(dai)(dai)躍遷回到價帶(dai)(dai)時，它(ta)會(hui)釋放出(chu)一(yi)(yi)個光(guang)子(zi)。這個過程叫做(zuo)自發(fa)(fa)(fa)輻射(she)(she)(she)，但在半導(dao)體激(ji)光(guang)器(qi)中，最重要的是受激(ji)輻射(she)(she)(she)。受激(ji)輻射(she)(she)(she)的原理(li)是，當一(yi)(yi)個光(guang)子(zi)與一(yi)(yi)個處于(yu)激(ji)發(fa)(fa)(fa)態(tai)的電(dian)子(zi)碰撞(zhuang)時，激(ji)發(fa)(fa)(fa)態(tai)電(dian)子(zi)會(hui)躍遷到較低(di)能級，并發(fa)(fa)(fa)射(she)(she)(she)出(chu)與入射(she)(she)(she)光(guang)子(zi)相同頻率(lv)、方向、相位和(he)偏振的光(guang)子(zi)。
這個過(guo)程(cheng)是(shi)光放大(da)的基礎，在半導體激(ji)光器中(zhong)，反(fan)復發生光子的受(shou)激(ji)輻射過(guo)程(cheng)，最終(zhong)形成激(ji)光輸出(chu)。
4.激(ji)光器腔和光反饋(kui)
為了(le)讓光(guang)(guang)子(zi)在(zai)半導體激光(guang)(guang)器中進行多次(ci)受激輻射(she)(she)，必須有一個(ge)(ge)光(guang)(guang)學(xue)腔(qiang)(qiang)來提(ti)供光(guang)(guang)反(fan)饋。這(zhe)個(ge)(ge)腔(qiang)(qiang)通常由兩(liang)個(ge)(ge)鏡面組成，一個(ge)(ge)鏡面是反(fan)射(she)(she)鏡，另一個(ge)(ge)是部(bu)分(fen)透(tou)光(guang)(guang)鏡。光(guang)(guang)子(zi)在(zai)這(zhe)兩(liang)個(ge)(ge)鏡面之間往返(fan)傳播，并逐漸增強(qiang)，最終從(cong)部(bu)分(fen)透(tou)光(guang)(guang)鏡處輸出。
5.激光的產生
當(dang)反向電流使得(de)活性(xing)區的載(zai)流子密度(du)足夠大時，發生的受(shou)激輻射(she)就(jiu)會(hui)超(chao)過(guo)自發輻射(she)，光(guang)子會(hui)形(xing)成一個強(qiang)烈的相(xiang)干光(guang)束(shu)，從激光(guang)器(qi)的輸出端發射(she)出來。這時，光(guang)波的方向性(xing)強(qiang)、相(xiang)位一致、頻率穩定(ding)，從而形(xing)成了激光(guang)。
6.溫度與(yu)激光效率
半導(dao)體(ti)(ti)激光器的(de)(de)性能受溫度影響較大。溫度升高(gao)時，載流子的(de)(de)復(fu)合效率(lv)降低，光子發射的(de)(de)效率(lv)下(xia)降。因(yin)此(ci)，半導(dao)體(ti)(ti)激光器通常需要(yao)通過熱管(guan)理系統來(lai)保持工作溫度，確(que)保激光輸(shu)出的(de)(de)穩定(ding)性。
總結
半(ban)導(dao)(dao)體(ti)激(ji)光(guang)(guang)器通(tong)過(guo)電流注入激(ji)發電子(zi)和空穴在半(ban)導(dao)(dao)體(ti)材料中(zhong)復合，產生(sheng)光(guang)(guang)子(zi)。光(guang)(guang)子(zi)與其他電子(zi)發生(sheng)受(shou)激(ji)輻射，形(xing)成光(guang)(guang)波。反射鏡提供光(guang)(guang)反饋，最(zui)終(zhong)實現(xian)激(ji)光(guang)(guang)輸出。由于(yu)其體(ti)積小、效(xiao)率高，半(ban)導(dao)(dao)體(ti)激(ji)光(guang)(guang)器廣泛(fan)應(ying)用于(yu)通(tong)信、激(ji)光(guang)(guang)打(da)印、激(ji)光(guang)(guang)掃(sao)描、醫療(liao)和光(guang)(guang)盤存儲等領域。
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