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激光二极管参数与原理及使用

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  一、激光的产生机理

激光二极管参数与原理及使用



  一、激光的发作机理



  在讲激光发作机理之前,先讲一下受激辐射。在光辐射中存在三种辐射进程,



  一时处于高能态的粒子在外来光的激起下向低能态跃迁,称之为自发辐射;



  二是处于高能态的粒子在外来光的激起下向低能态跃迁,称之为受激辐射;



  三是处于低能态的粒子吸收外来光的能量向高能态跃迁称之为受激吸收。



  自发辐射,即使是两个一起从某一高能态向低能态跃迁的粒子,它们宣布光的相位、偏振状况、发射方向也或许不同,但受激辐射就不同,当坐落高能态的粒子在外来光子的激起下向低能态跃迁,宣布在频率、相位、偏振状况等方面与外来光子彻底相同的光。在激光器中,发作的辐射便是受激辐射,它宣布的激光在频率、相位、偏振状况等方面彻底相同。任何的受激起光体系,即有受激辐射,也有受激吸收,只要受激辐射占优势,才干把外来光扩大而宣布激光。而一般光源中都是受激吸收占优势,只要粒子的平衡态被打破,使高能态的粒子数大于低能态的粒子数(这样状况称为离子数回转),才干宣布激光。



  发作激光的三个条件是:完成粒子数回转、满意阈值条件和谐振条件。发作光的受激起射的首要条件是粒子数回转,在半导体中便是要把价带内的电子抽运到导带。为了取得离子数回转,一般选用重掺杂的P型和N型资料构成PN结,这样,在外加电压效果下,在结区邻近就呈现了离子数回转-在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子,而在低费米能级EFV以上的价带中贮存着空穴。



  完成粒子数回转是发作激光的必要条件,但不是充分条件。要发作激光,还要有损耗极小的谐振腔,谐振腔的首要部分是两个相互平行的反射镜,激活物质所宣布的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射,不断引起新的受激辐射,使其不断被扩大。只要受激辐射扩大的增益大于激光器内的各种损耗,即满意必定的阈值条件:



  P1P2exp(2G-2A)≥1



  (P1、P2是两个反射镜的反射率,G是激活介质的增益系数,A是介质的损耗系数,exp为常数),才干输出安稳的激光,



  另一方面,激光在谐振腔内来回反射,只要这些光束两两之间在输出端的相位差Δф=2qπq=1、2、3、4…时,才干在输出端发作加强干与,输出安稳激光。设谐振腔的长度为L,激活介质的折射率为N,则



  Δф=(2π/λ)2NL=4πN(Lf/c)=2qπ,



  上式可化为f=qc/2NL该式称为谐振条件,它标明谐振腔长度L和折射率N确认今后,只要某些特定频率的光才干构成光振动,输出安稳的激光。这说明谐振腔对输出的激光有必定的选频效果。



  二、激光二极管实质



  激光二极管实质上是一个半导体二极管,依照PN结资料是否相同,能够把激光二极管分为同质结、单异质结(SH)、双异质结(DH)和量子阱(QW)激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低,输出功率高的长处,是现在市场使用的主流产品。同激光器比较,激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的长处,但其输出功率小(一般小于2mW),线性差、单色性不太好,使其在有线电视体系中的使用遭到很大约束,不能传输多频道,高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中,上行发射一般都选用量子阱激光二极管作为光源。



  半导体激光二极管的根本结构如图所示,笔直于PN结面的一对平行平面构成法布里--珀罗谐振腔,它们能够是半导体晶体的解理面,也能够是通过抛光的平面。其他两旁边面则相对粗糙,用以消除主方向外其它方向的激光效果。



  半导体中的光发射一般起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时,会削弱PN结势垒,迫使电子从N区经PN结注入P区,空穴从P区通过PN结注入N区,这些注入PN结邻近的非平衡电子和空穴将会发作复合,然后发射出波长为λ的光子,其公式如下:



  λ=hc/Eg(1)



  式中:h-普朗克常数;c-光速;Eg-半导体的禁带宽度。



  上述因为电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所发作的光子通过半导体时,一旦通过已发射的电子-空穴对邻近,就能鼓励二者复合,发作新光子,这种光子诱使已激起的载流子复合而宣布新光子现象称为受激辐射。假如注入电流足够大,则会构成和热平衡状况相反的载流子散布,即粒子数回转。



  当有源层内的载流子在很多回转状况下,少数自发辐射发作的光子因为谐振腔两端面往复反射而发作感应辐射,形成选频谐振正反馈,或许说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时,就可从PN结宣布具有杰出谱线的相干光--激光,这便是激光二极管的简略原理。



  跟着技能和工艺的开展,现在实际使用的半导体激光二极管具有杂乱的多层结构。



  常用的激光二极管有两种:①PIN光电二极管。它在收到光功率发作光电流时,会带来量子噪声。②雪崩光电二极管。它能够供给内部扩大,比PIN光电二极管的传输间隔远,但量子噪声更大。为了取得杰出的信噪比,光检测器材后边须衔接低噪声预扩大器和主扩大器。



  半导体激光二极管的作业原理,理论上与气体激光器相同。



  激光二极管实质上是一个半导体二极管,依照PN结资料是否相同,能够把激光二极管分为同质结、单异质结(SH)、双异质结(DH)和量子阱(QW)激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低,输出功率高的长处,是现在市场使用的主流产品。同激光器比较,激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的长处,但其输出功率小(一般小于2mW),线性差、单色性不太好,使其在有线电视体系中的使用遭到很大约束,不能传输多频道,高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中,上行发射一般都选用量子阱激光二极管作为光源。



  半导体激光二极管的常用参数有:



  (1)波长:即激光管作业波长,现在可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。



  (2)阈值电流Ith:即激光管开端发作激光振动的电流,对一般小功率激光管而言,其值约在数十毫安,具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。



  (3)作业电流Iop:即激光管到达额外输出功率时的驱动电流,此值关于规划调试激光驱动电路较重要。



  (4)笔直发散角θ⊥:激光二极管的发光带在笔直PN结方向打开的视点,一般在15?~40?左右。



  (5)水平发散角θ∥:激光二极管的发光带在与PN结平行方向所打开的视点,一般在6?~10?左右。



  (6)监控电流Im:即激光管在额外输出功率时,在PIN管上流过的电流。



  激光二极管在核算机上的光盘驱动器,激光打印机中的打印头号小功率光电设备中得到了广泛的使用。

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