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半導體激光器的發光原理
點擊次數:1319 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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