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半導體激光器的發光原理
點擊次數：2144 時間：2025-01-10
半導體激光器（SemiconductorLaser,或稱為激光二極管，LaserDiode,LD）的發光原理基于半導體材料的受激輻射（StimulatedEmission）現象，類似于其他類型的激光器，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關鍵步驟：
1.半導體材料的能帶結構
半導體材料具有能帶結構，包括價帶和導帶。電子在價帶上，當吸收足夠的能量時，電子會躍遷到導帶，這種現象稱為電子激發。這種激發可以通過外加電流、光或熱來實現。
2.注入電流和載流子復合
在半導體激光器中，首先通過電流注入（一般是通過電極）將電子和空穴（正電荷載流子）注入到半導體的活性區（通常是p-n結處）。這些電子和空穴在活性區內會發生復合，即電子和空穴相遇并結合，釋放出能量，形成光子。
3.光的受激輻射
當一個電子從導帶躍遷回到價帶時，它會釋放出一個光子。這個過程叫做自發輻射，但在半導體激光器中，最重要的是受激輻射。受激輻射的原理是，當一個光子與一個處于激發態的電子碰撞時，激發態電子會躍遷到較低能級，并發射出與入射光子相同頻率、方向、相位和偏振的光子。
這個過程是光放大的基礎，在半導體激光器中，反復發生光子的受激輻射過程，最終形成激光輸出。
4.激光器腔和光反饋
為了讓光子在半導體激光器中進行多次受激輻射，必須有一個光學腔來提供光反饋。這個腔通常由兩個鏡面組成，一個鏡面是反射鏡，另一個是部分透光鏡。光子在這兩個鏡面之間往返傳播，并逐漸增強，最終從部分透光鏡處輸出。
5.激光的產生
當反向電流使得活性區的載流子密度足夠大時，發生的受激輻射就會超過自發輻射，光子會形成一個強烈的相干光束，從激光器的輸出端發射出來。這時，光波的方向性強、相位一致、頻率穩定，從而形成了激光。
6.溫度與激光效率
半導體激光器的性能受溫度影響較大。溫度升高時，載流子的復合效率降低，光子發射的效率下降。因此，半導體激光器通常需要通過熱管理系統來保持工作溫度，確保激光輸出的穩定性。
總結
半導體激光器通過電流注入激發電子和空穴在半導體材料中復合，產生光子。光子與其他電子發生受激輻射，形成光波。反射鏡提供光反饋，最終實現激光輸出。由于其體積小、效率高，半導體激光器廣泛應用于通信、激光打印、激光掃描、醫療和光盤存儲等領域。
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