【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(jìn)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(kuò)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(dá)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(kuò)散增強(qiáng) [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(dá)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(kuò)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(kuò)展和注入載流子的側(cè)向擴(kuò)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(qiáng)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(jī)，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(kuò)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(dá)到亞毫安級，調(diào)制帶寬達(dá)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(dá) 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(qiáng)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(qiáng)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?？梢院凸馓綔y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(qiáng) )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(jìn)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(qiáng)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(dá)到極大值 [5] 。 盡管高斯光束的特點是