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技術(shù)文章

什么是二極管激光器?

什么是二極管激光器?

激光是通過受激輻射進(jìn)行光放大的首字母縮寫。 它是通過使用諧振器放大光(電磁波)獲得的人造光事件。

激光的原理是原子和分子通常以一定的能量運動。 當(dāng)從外部接收能量時,這些原子和分子以更高的能量移動。 這稱為激發(fā)態(tài)。 一段時間后,原子和分子呼出多余的能量,并試圖恢復(fù)到原來的能量狀態(tài)。 此時,呼出的多余能量以光的形式釋放到外部。 這稱為“自發(fā)釋放"。 當(dāng)這種光與其他高能原子或分子碰撞時,從中發(fā)出相同性質(zhì)的光。 這稱為“受激發(fā)射"。 通常,具有高能量的原子和分子的數(shù)量很少,因此發(fā)射的光非常微弱,但是如果以某種方式增加具有高能量的原子和分子的數(shù)量,則在雪崩現(xiàn)象中發(fā)生受激發(fā)射,并發(fā)出強大的光。 這是光的放大。 此外,如果鏡子在特定條件下面對面放置(稱為諧振器)并且發(fā)射的光被反復(fù)反射,則光會向特定方向放大,使其更加強大。 這就是激光的原理。

半導(dǎo)體激光器根據(jù)上述原理的半導(dǎo)體pn結(jié)構(gòu)型,通過向結(jié)中注入電流產(chǎn)生大量的電子-空穴對,并利用它們重新組合時的發(fā)光來振蕩激光器。 作為一種結(jié)構(gòu),經(jīng)常使用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu),其中發(fā)生電子和空穴復(fù)合的活性層夾在具有較大帶隙的p型和n型半導(dǎo)體之間。
對于激光振蕩,需要一個諧振器來共振光。 作為在半導(dǎo)體激光器中構(gòu)建諧振器的方法,使用諧振器平行于半導(dǎo)體基板表面配置并從解理表面提取光的端面發(fā)光型,以及諧振器垂直于半導(dǎo)體襯底表面配置的表面發(fā)射型。
有些在半導(dǎo)體激光器外部有一個諧振器。

半導(dǎo)體激光器的振蕩和特性
與其他類型的二極管激光器相比,它們具有體積小、效率高、電壓低、功耗低、壽命超長等特性,廣泛應(yīng)用于光電領(lǐng)域。 半導(dǎo)體激光器有時被稱為二極管激光器,發(fā)光二極管(LED)是基礎(chǔ)。

發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光原理


LED燈顏色的差異

下圖說明了發(fā)射波長因半導(dǎo)體材料而異。 當(dāng)電子從高能導(dǎo)帶下降到低能價帶時,p-n結(jié)中空穴和電子之間的耦合就會發(fā)生。 這種能量差越大,能量光越高,即波長越短的光。 由于能量差(禁止帶的寬度)因半導(dǎo)體材料而異,因此請選擇與要發(fā)光的顏色相匹配的禁止帶材料并制作發(fā)光二極管(LED)。 在圖2中,藍(lán)色和綠色材料都是InGaN,但通過改變In/Ga比來調(diào)整發(fā)射顏色。

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白光LED發(fā)光機理

使用發(fā)光二極管(LED)發(fā)射白光有三種機制,如圖3所示。

(1)它是藍(lán)光LED和熒光粉的組合,發(fā)出黃光。 黃色是藍(lán)色的互補色,因此藍(lán)色和黃色混合在一起,看起來是白色的。 這種方法很容易并且受歡迎,因為它具有強光,但缺點是看起來有點藍(lán)色。
(2)這是一種用紫外線LED發(fā)射藍(lán)色、綠色和紅色熒光粉的方法。 它看起來像自然而美麗的白光,但它仍然不能產(chǎn)生像方法(1)那樣強的光。
(3) 此方法發(fā)出三個 LED:藍(lán)色、綠色和紅色。 由于它具有強光并且可以發(fā)出全彩,因此用于顯示照明和LED屏幕。

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發(fā)光二極管 (LED) 和二極管激光器 (LD) 之間的區(qū)別

半導(dǎo)體激光器 (LD) 是與發(fā)光二極管 (LED) 非常相似的半導(dǎo)體發(fā)光器件。 兩者有什么區(qū)別? 在p-n結(jié)中結(jié)合電子和空穴發(fā)光的原理是相同的,但發(fā)出的光的性質(zhì)是不同的。 LED的光靠近燈泡并且具有不同的相位,因此它擴散,但是LD的光處于相位對齊狀態(tài),因此它變成了直線光線。 這種差異是由于LED將發(fā)射的光照原樣發(fā)射到外部,而LD被設(shè)計為對齊相位。 此外,LD光很容易入射到光纖上,因為光是從窄發(fā)光層的端面發(fā)出的,但是LED光來自寬發(fā)光層的整個表面,因此很難入射到芯徑小的光纖上。

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半導(dǎo)體激光器如何實現(xiàn)倒置分布?

為了使感應(yīng)輻射更容易發(fā)生,到目前為止已經(jīng)提到,高能量導(dǎo)帶中的電子與低能量價帶中的電子數(shù)之比的狀態(tài)稱為倒分布。

在紅寶石激光器的情況下,氙氣燈用于實現(xiàn)倒置分布。 但是,半導(dǎo)體激光器不使用這種方法,而是以某種方式將電子注入導(dǎo)帶。 不使用高功耗的大型氙氣燈,這也是半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低的原因。

半導(dǎo)體激光器有多種類型,但常用的是下圖所示的具有稱為雙異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)。



雙異質(zhì)結(jié)具有如圖所示的夾層結(jié)構(gòu)。 它是具有大帶隙的P型和N型包層(涂層),夾在帶隙小的活性層中。 當(dāng)從熔覆層中提供的外部電極向前施加電壓時,從P型熔覆層注入空穴到活性層中,電子從N型熔覆層注入活性層。 因此,活動層處于反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。 在這里,受激輻射有效地發(fā)生。

半導(dǎo)體激光器的激光振蕩

發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器之間最大的區(qū)別在于是否存在這種激光振蕩。 紅寶石激光器具有配合鏡結(jié)構(gòu),但半導(dǎo)體激光器也具有配合鏡結(jié)構(gòu)。

 



如上圖所示,由于折射率(解理面)的差異,活性層的兩側(cè)都是反射器。 此外,活性層和熔覆層之間反映了折射率的差異,并且光線不易泄漏到熔覆層中。 從這兩點開始,光被限制在有源層中,隨著感應(yīng)輻射的重復(fù),光被放大并作為激光發(fā)射到外部。 因此,當(dāng)反射環(huán)達(dá)到平衡時,激光達(dá)到連續(xù)振蕩。


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