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半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理
點(diǎn)擊次數(shù):1589 時(shí)間:2025-01-10
半導(dǎo)體激光器(SemiconductorLaser,或稱(chēng)為激光二極管,LaserDiode,LD)的發(fā)光原理基于半導(dǎo)體材料的受激輻射(StimulatedEmission)現(xiàn)象,類(lèi)似于其他類(lèi)型的激光器,如固體激光器或氣體激光器。其工作原理可以分為以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟:  
1.半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)  
半導(dǎo)體材料具有能帶結(jié)構(gòu),包括價(jià)帶和導(dǎo)帶。電子在價(jià)帶上,當(dāng)吸收足夠的能量時(shí),電子會(huì)躍遷到導(dǎo)帶,這種現(xiàn)象稱(chēng)為電子激發(fā)。這種激發(fā)可以通過(guò)外加電流、光或熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。  
2.注入電流和載流子復(fù)合  
在半導(dǎo)體激光器中,首先通過(guò)電流注入(一般是通過(guò)電極)將電子和空穴(正電荷載流子)注入到半導(dǎo)體的活性區(qū)(通常是p-n結(jié)處)。這些電子和空穴在活性區(qū)內(nèi)會(huì)發(fā)生復(fù)合,即電子和空穴相遇并結(jié)合,釋放出能量,形成光子。  
3.光的受激輻射  
當(dāng)一個(gè)電子從導(dǎo)帶躍遷回到價(jià)帶時(shí),它會(huì)釋放出一個(gè)光子。這個(gè)過(guò)程叫做自發(fā)輻射,但在半導(dǎo)體激光器中,最重要的是受激輻射。受激輻射的原理是,當(dāng)一個(gè)光子與一個(gè)處于激發(fā)態(tài)的電子碰撞時(shí),激發(fā)態(tài)電子會(huì)躍遷到較低能級(jí),并發(fā)射出與入射光子相同頻率、方向、相位和偏振的光子。  
這個(gè)過(guò)程是光放大的基礎(chǔ),在半導(dǎo)體激光器中,反復(fù)發(fā)生光子的受激輻射過(guò)程,最終形成激光輸出。  
4.激光器腔和光反饋  
為了讓光子在半導(dǎo)體激光器中進(jìn)行多次受激輻射,必須有一個(gè)光學(xué)腔來(lái)提供光反饋。這個(gè)腔通常由兩個(gè)鏡面組成,一個(gè)鏡面是反射鏡,另一個(gè)是部分透光鏡。光子在這兩個(gè)鏡面之間往返傳播,并逐漸增強(qiáng),最終從部分透光鏡處輸出。  
5.激光的產(chǎn)生  
當(dāng)反向電流使得活性區(qū)的載流子密度足夠大時(shí),發(fā)生的受激輻射就會(huì)超過(guò)自發(fā)輻射,光子會(huì)形成一個(gè)強(qiáng)烈的相干光束,從激光器的輸出端發(fā)射出來(lái)。這時(shí),光波的方向性強(qiáng)、相位一致、頻率穩(wěn)定,從而形成了激光。  
6.溫度與激光效率  
半導(dǎo)體激光器的性能受溫度影響較大。溫度升高時(shí),載流子的復(fù)合效率降低,光子發(fā)射的效率下降。因此,半導(dǎo)體激光器通常需要通過(guò)熱管理系統(tǒng)來(lái)保持工作溫度,確保激光輸出的穩(wěn)定性。  
總結(jié)  
半導(dǎo)體激光器通過(guò)電流注入激發(fā)電子和空穴在半導(dǎo)體材料中復(fù)合,產(chǎn)生光子。光子與其他電子發(fā)生受激輻射,形成光波。反射鏡提供光反饋,最終實(shí)現(xiàn)激光輸出。由于其體積小、效率高,半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于通信、激光打印、激光掃描、醫(yī)療和光盤(pán)存儲(chǔ)等領(lǐng)域。
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