【文章內(nèi)容簡介】 目的 和研究意義。并簡單介紹了 980nm 半導(dǎo)體激光器 目前國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和 應(yīng)用 ，主要針對激光束的準(zhǔn)直技術(shù)發(fā)展和國內(nèi)外研究成果進行了概述性的介紹。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 9 頁 共 34 頁 2 半導(dǎo)體激光器 2． 1 半導(dǎo)體激光器 的基本 原理 半導(dǎo)體激光器是利用半導(dǎo)體中的電子光躍遷引起光 子 受 激輻射而產(chǎn)生的光振蕩器和光放大器的總稱。 受激輻射 在物質(zhì)的原子中，存在許多能級，最低能級 1E 稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的 能級 Ei(i=2, 3, 4 ?) 稱為激發(fā)態(tài)。在正常狀態(tài)下，電子處于低能級 1E ，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級 2E 上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級留下相同數(shù)目的空穴。在高能級 E2 的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級 1E 上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。電子在 1E 和 2E 兩個能級之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件 ： 1212 hfEE ? （ ） 其中 sJ106. 62 8h 3 4 ??? ，為普朗克常數(shù)， 12f 為吸收或輻射的光子頻率 。 在半導(dǎo)體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能帶。能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶 。 依照量子理論，在 熱平衡狀態(tài)下 電子按能量分布遵從 費 米 狄拉克 分布 ： ? ??????? ???TEEke x p11Epf （ ） 其中 k 為波茲曼常數(shù)， T為熱力學(xué)溫度。 fE 稱為費米能級。 高能級占有的電子數(shù)比低能級的電子數(shù)少，因此總的來說光被吸收。但是若給系統(tǒng)提供能量實現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)則產(chǎn)生凈的光輻射而獲得光放大。這就是激光作用的基本原理。 實現(xiàn) 條件 就基本原理而論，半導(dǎo)體激光器和其它類型的激光器沒有根本的區(qū)別，即都 是基于受激 輻射。要使激光器得到相干的、受激光輸出，須滿足 兩個條件，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件與閾值條件。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁 共 34 頁 粒子束反轉(zhuǎn)條件 是必要條件，它意味著處于高能態(tài)的粒子 (如半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子 )數(shù)多于低能態(tài)的粒子數(shù)。達到這一條件，有源工作物質(zhì)就具有增益。 實現(xiàn)半導(dǎo)體中的反轉(zhuǎn)分布 ， 最有效的方法是由價帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶形成大量的電子 空穴對實現(xiàn) 。 在半導(dǎo)體 PN 結(jié)上 施加正向電壓 ， 產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴散增強 [4] 。電子運動方向與電場方向相反，便使 N 區(qū)的電子向 P 區(qū)運動， P 區(qū)的空穴向 N 區(qū)運動，最后在 PN 結(jié)形成一個特殊的增益區(qū)。增 益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 閾值條件 是充分條件 ， 它要求粒子數(shù)必須反轉(zhuǎn)到一定程度，即達到由于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的增益能克服有源介質(zhì)的內(nèi)部損耗和輸出損耗 (激光器的輸出對有源介質(zhì)來說也是一種損耗 )，此后增益介質(zhì)就具有凈增益。 閾值條件為： 211ln21 RRLath ???? () 其中 th? 為閾值增益系數(shù)， a為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)， L 為諧振腔的長度，1R 、 2R 1 為兩個反射鏡的反射率 。 半導(dǎo)體激光器的器件結(jié)構(gòu) 圍繞著不斷提高半導(dǎo)體激光器的性能以滿足日益增漲的應(yīng)用，已發(fā)展了許多半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。下面將要介紹幾個典型的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 （ 1） 雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 (DH) 這種結(jié)構(gòu)識將有源層加在同時具有寬帶隙和低折射率的兩種半導(dǎo)體材料之間，以便在垂直于結(jié)平面方向有效地限制載流子與光子 。 1970 年基于此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了 GaAlAs／GaAs 激射波長為 ? m 的半導(dǎo)體激光器在室溫下連續(xù)工作。在此以 GaAs 半導(dǎo)體激光器為例說明半導(dǎo)體激光器的基本原理和結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)概略如圖 所示，在正向偏壓下，電子和空穴分別從寬帶隙的 N 區(qū)和 P 區(qū)注入有源區(qū)．它們在該區(qū)的擴散又分別受到PP 異質(zhì)結(jié)和 PN 異質(zhì)結(jié)的限制，從而可以在有源區(qū)內(nèi)積累起產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的非平衡載流子濃度。同時，窄帶隙有源區(qū)有高的折射率，與兩邊低折射率的寬帶隙層構(gòu)成了一個限制光子在有源區(qū)內(nèi)的介質(zhì)光波導(dǎo)。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁 共 34 頁 圖 雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu) 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成功地解決了在垂直于結(jié)平 面方向?qū)d流子和光子的限制問題。針對有源區(qū)的載流子和光子在平行結(jié)平面方向的限制問題，研究人員提出了條形結(jié)構(gòu)，這是半導(dǎo)體激光器發(fā)展史上的一個重要里程碑。 （ 2） 條形激光器 條形結(jié)構(gòu)是激光器的閾值電流大幅降低 ， 改善了近場與遠(yuǎn)場 ， 縱模與橫模特性，提高了器件的可靠性。最早的條型激光器是采用電極條形或質(zhì)子轟擊條形 ，在平行結(jié)平面方向的光學(xué)限制是所謂的“增益波導(dǎo)”。 實質(zhì)上，它只是限制電流流經(jīng)的通道，這種限制不可避免地存在注入電流的側(cè)向擴展和注入載流子的側(cè)向擴散。增益波導(dǎo)對光場的側(cè)向滲透實際上沒有限制作用，其所謂光波導(dǎo)作用 只是相對于損耗而出現(xiàn)的光的凈增益區(qū)域。依照在橫向利用有源層與兩邊限制層折射率之差所形成的強的光波導(dǎo)效應(yīng)，在平行結(jié)平面方向也設(shè)計了類似的折射率波導(dǎo)。折射率波導(dǎo)充分體現(xiàn)了條形結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，已成為半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)形式，已廣泛用于 CD 唱機，激光打印和光纖通信系統(tǒng)中。 量子阱半導(dǎo)體激光器 一般的雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度 Jth與有源層厚度的關(guān)系如圖 所示，最佳的有源層厚度在 。超過此值后 Jth隨著有源層厚度的增加而線性增加，這是因為隨著有源層厚度的增加，載流子的擴散減少了在 同樣注入電流下注入有源區(qū)的載流子濃度或注入電流密度，這也等效于減弱了異質(zhì)結(jié)勢壘對載流子的限制能力。而過薄的有源層厚度會因為光場滲透逸散致使異質(zhì)結(jié)波導(dǎo)能力減弱，使較多的光子損耗與有源層之外，閾值電流密度增加。盡管在最佳的有源層厚度下，異質(zhì)結(jié)勢壘和光波導(dǎo)清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12 頁 共 34 頁 效應(yīng)對有源層中的電子和光子有較好的限制能力，但它們?nèi)蕴幵诤裼性磪^(qū)中狀況，即電子仍具有三個自由度，也就是圖 所反映出來的只是同一性質(zhì)下的量變過程。 圖 雙異質(zhì)結(jié)激光器中的 Jth與有源層厚度的關(guān)系 60 年代末期，貝爾實驗室的江畸 (Esaki)和朱肇祥首 先提出，當(dāng)所生長的晶體厚度薄到半導(dǎo)體中電子的德布羅意波長 (約為 10nm)或電子平均自由程量級 (約為 50nm)時，這種超薄層晶體中的電子與塊狀晶體中的電子有完全不同的性質(zhì)，即出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)。量子阱半導(dǎo)體激光器正是利用這種量子尺寸效應(yīng)工作的。量子阱是窄帶隙超薄層被夾在兩個寬帶隙勢壘薄層之間。如果窄帶隙與寬帶隙超薄層交替生長就能構(gòu)成多量子阱(MQW)。 在 MQW 中 如果各阱之間的如果的電子波函數(shù)發(fā)生一定程度的交疊或耦合，則這樣的MQW 也就是超晶格就猶如在晶體中微觀粒子做周期有序排列一樣。量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器 ，其閾值電流可以達到亞毫安級，調(diào)制帶寬達數(shù) 10GHz。量子阱電吸收調(diào)制器的調(diào)制帶寬可以在 10GHz 以上，而量子阱雪崩光電二極管的增益帶寬積可達 700Hz以上。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 13 頁 共 34 頁 表面發(fā)射激光器 圖 平面腔表面發(fā)射激光器 （ (a) 光柵耦合 (b)450鏡 結(jié) 構(gòu) ） 由圖 看出，相對于一般的端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器而言，光從垂直于結(jié)平面的表面發(fā)射已構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的另一種基本結(jié)構(gòu) 。 從 70 年代末期發(fā)展起來的這種激光器越來越顯示出它的優(yōu)越性。最早考慮表面發(fā)射是基于這種發(fā)射方式便于制成二維列陣、容易得到有利于與光纖高效率耦合的圓對稱的遠(yuǎn)場特性。最初采取相通常雙異質(zhì)結(jié)類似的結(jié)構(gòu)，光子振蕩方向平行于襯底，因而稱為平面腔。 一種結(jié)構(gòu)是采取布喇格光柵從有源區(qū)耦合出激光，如圖 (a)所示。另一種結(jié)構(gòu)是通過微加工技術(shù)在有源層的一端制成 45o 反射面鏡，反射光從表面輸出，通過控制該面鏡的反射率來控制激光振蕩強度，如圖 (b)所示。這類平面腔結(jié)構(gòu)只是簡單地變半導(dǎo)體激光器的端面輸出為表面輸出，很難得到 無像散的高質(zhì)量光束；由于受腔長的限制，不可能從表面得到輸出功率一致的二維列陣激光源。況且，布喇格光柵反射光束的方向隨波長變化，而 45o 面鏡結(jié)構(gòu)輸出光束質(zhì)量取決于該鏡的位置、方位和平整度。由于受腔長限制也難以獲得二維列陣，因此這類平面腔結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射激光器很難獲得實際應(yīng)用價值。 2． 3 半導(dǎo)體激光器的優(yōu)缺點 優(yōu)點： （ 1）體積小、重量輕 、價格便宜。 （ 2）可注入激勵。 半導(dǎo)體激光器是直接的電子 光子轉(zhuǎn)換器，因而它的轉(zhuǎn)換效率很高。理論上，半導(dǎo)體激光器的內(nèi)量子效率可接近 100%。 （ 3）室溫下可連續(xù)震蕩。 （ 4） 覆蓋的波段范圍最廣?？梢酝ㄟ^選用不同的半導(dǎo)體激光器有源材料或改變多清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 14 頁 共 34 頁 元化合物半導(dǎo)體各組員的組分，而得到范圍很廣的激射波長以滿足不同需要。 （ 5）增益帶寬寬。在這個范圍內(nèi)可以任意選擇激射波長，能夠?qū)崿F(xiàn) 寬帶光放大器。 （ 6）具有直接調(diào)制的能力。 把信號重疊在驅(qū)動電流上，在直流到 GHz 波段的寬頻范圍內(nèi)，可以調(diào)制振蕩強度、相位和頻率。 （ 7）相干性高。 用單橫模的激光器可以得到空間上相干性高的輸出光。 （ 8）能產(chǎn)生超短光脈沖。采用增益開關(guān)和鎖模等方法，以簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就能獲得從 ns 到 ps 的超短光脈沖。 （ 9）可批量生產(chǎn)。 （ 10）可靠性高，使用壽命最長。 （ 11）可單片集成化。可以和光探測器、光調(diào)制器和電子電路元件集成在一個陳地上，得到高性能的單片集成器件。 缺點： （ 1） 溫度特性差。工作特性與溫度有顯著關(guān)系，環(huán)境溫度變化可引起激射。 （ 2） 頻率、閾值電流、輸出光功率等變化。 （ 3） 容易產(chǎn)生噪聲。 （ 4） 輸出光發(fā)散。 輸出光由端面以放射形式發(fā)出成為發(fā)散光，要獲得平行光必須要有外部透鏡。 2． 4 本章小結(jié) 本章主要 通過介紹 半導(dǎo)體激光器的 基本 原理 的，初步了解了半導(dǎo)體激光器的工作原理，簡單介紹了 幾個典型的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu) ，最后總結(jié)出半導(dǎo)體激光器與其他激 光器相比的優(yōu)缺點。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15 頁 共 34 頁 3 半導(dǎo)體激光器 的 光束準(zhǔn)直 理論 半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量非常差，所以在半導(dǎo)體激光器的實際應(yīng)用中，對其光束的準(zhǔn)直以提高其光束質(zhì)量是一件非常重要的事情，這也是本文的主要工作。 在本章的內(nèi)容中，將對 半導(dǎo)體 激光器光束特性做簡單介紹，隨后對半導(dǎo)體激光器的準(zhǔn)直方法作介紹。 3． 1 半導(dǎo)體激光器的 光束特性 由于半導(dǎo)體激光器的特殊 結(jié) 構(gòu)，造成了其光束與其他激光極為不同的遠(yuǎn)場特性。 如圖 （ a） 在垂直于結(jié)平面方向，光束的束腰在激光器的解 理 面上， 如圖 （ b） ,在平行于結(jié)平面方向，光束的束腰位于激 光發(fā)射腔內(nèi)，因此這兩個方向上的光束的束腰是彼此分離的，即具有簡單像散性。 （ a）垂直于結(jié)平面方向的光束 （ b）平行于結(jié)平面方向的光束 圖 激光器輸出光束模型 對于一個發(fā)射極而言，由于在平行面方向發(fā)光區(qū)尺寸很大， 大約為 m?500~100 (具體數(shù)值由輸出功率決定 )， 此方向激光器不再會是處于基橫模工作狀態(tài)，在遠(yuǎn)場一般表現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu)。 因此， 可以用離心高斯函數(shù)來描述此方向模式場分布。 3． 2 高斯 光束 的基本 理論 激光是一種光線束，它的幅射照 度 (或光強 )的分布是呈高斯型的，因此稱之高斯光束。 對于半導(dǎo)體激光器 這類 高斯輸出型激光器，以高斯光束為模型，對激光器的輸出光束進行計算研究，能準(zhǔn)確地反映光束的傳輸變化情況。 由于透鏡的變換作用只改變相 位 而不改變光強的分布，因此高斯光束經(jīng)透鏡變換后仍保持高斯光束的形式。高斯光束的特性主要由腰斑的大小和束腰的位置決定。 沿 z 軸傳播的高斯光束 ,以其束腰位置為原點 ,等相位面的光斑半徑 確定公式： fzw 2w(z) 0 ?? （ ） 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁 共 34 頁 其中 w0為基模高斯 光束的腰 斑 半徑 ,f為高斯光束的共焦參數(shù) ,且 ?? 20f w? 。 高斯光束在自由空間傳播時是由束腰逐漸向兩邊發(fā)散的 ,發(fā)散程度用發(fā)散角 θ0來衡量 ,其定義為 : 00 2)(lim 2 wzzw ??? ?? （ ） 如果高斯光束在空間傳輸時遇到透鏡 ,光束參數(shù)就要改變。分析可得，入射光束的束腰在透鏡的前焦面上，經(jīng)簡透鏡變換后的束腰在透鏡的后焦面上，并且其腰斑達到極大值 [5] 。 盡管高斯光束的特點是