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半導體激光器的發光原理
點擊次數：3513 時間：2025-01-10
半導體(ti)激光(guang)器（SemiconductorLaser,或(huo)稱(cheng)為激光(guang)二極管(guan)，LaserDiode,LD）的(de)(de)發(fa)光(guang)原理基(ji)于半導體(ti)材料的(de)(de)受激輻射（StimulatedEmission）現象(xiang)，類(lei)似于其(qi)他類(lei)型的(de)(de)激光(guang)器，如固體(ti)激光(guang)器或(huo)氣(qi)體(ti)激光(guang)器。其(qi)工(gong)作原理可以分(fen)為以下幾個關鍵步驟：
1.半導(dao)體(ti)材料的(de)能帶結構
半(ban)導(dao)體材(cai)料具(ju)有能(neng)帶結構，包(bao)括價帶和導(dao)帶。電子在價帶上，當吸(xi)收足夠的(de)能(neng)量時，電子會躍遷到導(dao)帶，這種現(xian)(xian)象(xiang)稱為電子激發。這種激發可以(yi)通過外加電流、光或熱來實現(xian)(xian)。
2.注入電流(liu)和載流(liu)子復合
在半導(dao)體(ti)激光器中，首先通過電流注(zhu)入（一般是(shi)通過電極）將電子(zi)和(he)空穴（正電荷載流子(zi)）注(zhu)入到半導(dao)體(ti)的(de)活性區(qu)（通常是(shi)p-n結(jie)(jie)處(chu)）。這(zhe)些電子(zi)和(he)空穴在活性區(qu)內會發生復合，即電子(zi)和(he)空穴相遇并結(jie)(jie)合，釋(shi)放出能(neng)量，形成光子(zi)。
3.光的受激輻(fu)射
當一(yi)個電子從導帶躍遷(qian)回到價帶時，它會釋放(fang)出一(yi)個光(guang)(guang)子。這(zhe)個過程叫做自發(fa)(fa)輻射(she)(she)(she)，但在半(ban)導體激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)器中，最重要(yao)的是受激(ji)(ji)(ji)輻射(she)(she)(she)。受激(ji)(ji)(ji)輻射(she)(she)(she)的原理(li)是，當一(yi)個光(guang)(guang)子與一(yi)個處于激(ji)(ji)(ji)發(fa)(fa)態的電子碰撞(zhuang)時，激(ji)(ji)(ji)發(fa)(fa)態電子會躍遷(qian)到較低能(neng)級，并發(fa)(fa)射(she)(she)(she)出與入(ru)射(she)(she)(she)光(guang)(guang)子相同頻率、方向(xiang)、相位和偏振的光(guang)(guang)子。
這個過(guo)程是光放大的基礎，在(zai)半(ban)導體激(ji)光器中，反復發生光子的受激(ji)輻射過(guo)程，最終形(xing)成激(ji)光輸出。
4.激光器腔和(he)光反(fan)饋
為了(le)讓光(guang)(guang)子(zi)在半(ban)導(dao)體激光(guang)(guang)器中進行多(duo)次受激輻射，必須有一(yi)(yi)個(ge)光(guang)(guang)學腔(qiang)來提供光(guang)(guang)反饋。這(zhe)個(ge)腔(qiang)通常由兩個(ge)鏡(jing)面(mian)組成，一(yi)(yi)個(ge)鏡(jing)面(mian)是反射鏡(jing)，另(ling)一(yi)(yi)個(ge)是部分透光(guang)(guang)鏡(jing)。光(guang)(guang)子(zi)在這(zhe)兩個(ge)鏡(jing)面(mian)之(zhi)間(jian)往返傳播(bo)，并逐漸增(zeng)強，最終從部分透光(guang)(guang)鏡(jing)處輸(shu)出。
5.激光的產生
當反向(xiang)電流(liu)使得活性(xing)區的(de)載流(liu)子密度(du)足夠大時(shi)，發生的(de)受激輻射就會超過自發輻射，光(guang)子會形(xing)成一個強烈(lie)的(de)相干(gan)光(guang)束，從激光(guang)器的(de)輸出端(duan)發射出來。這時(shi)，光(guang)波(bo)的(de)方向(xiang)性(xing)強、相位一致、頻率穩(wen)定(ding)，從而形(xing)成了激光(guang)。
6.溫(wen)度與激光(guang)效率
半導體激光器(qi)的(de)性能(neng)受溫(wen)(wen)度(du)影響較大。溫(wen)(wen)度(du)升高時，載流子(zi)的(de)復合效(xiao)率降(jiang)低，光子(zi)發(fa)射的(de)效(xiao)率下降(jiang)。因(yin)此(ci)，半導體激光器(qi)通常需要通過熱管理系統來保持(chi)工作(zuo)溫(wen)(wen)度(du)，確保激光輸出的(de)穩定性。
總(zong)結
半(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)(guang)器通(tong)(tong)過電流注入(ru)激(ji)發(fa)電子(zi)和空(kong)穴在半(ban)導(dao)體(ti)材料中(zhong)復(fu)合，產(chan)生(sheng)光(guang)(guang)子(zi)。光(guang)(guang)子(zi)與其他電子(zi)發(fa)生(sheng)受激(ji)輻射(she)，形成光(guang)(guang)波(bo)。反射(she)鏡提供(gong)光(guang)(guang)反饋(kui)，最終實現(xian)激(ji)光(guang)(guang)輸出。由于其體(ti)積小、效率高，半(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)(guang)器廣泛應(ying)用于通(tong)(tong)信(xin)、激(ji)光(guang)(guang)打(da)印、激(ji)光(guang)(guang)掃(sao)描、醫(yi)療(liao)和光(guang)(guang)盤存儲等領域。
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