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半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理
閱讀：491發(fā)布時(shí)間：2025-1-10
半導(dǎo)體激光器（SemiconductorLaser,或稱為激光二極管，LaserDiode,LD）的發(fā)光原理基于半導(dǎo)體材料的受激輻射（StimulatedEmission）現(xiàn)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(gè)關(guān)鍵步驟：
1.半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)
半導(dǎo)體材料具有能帶結(jié)構(gòu)，包括價(jià)帶和導(dǎo)帶。電子在價(jià)帶上，當(dāng)吸收足夠的能量時(shí)，電子會躍遷到導(dǎo)帶，這種現(xiàn)象稱為電子激發(fā)。這種激發(fā)可以通過外加電流、光或熱來實(shí)現(xiàn)。
2.注入電流和載流子復(fù)合
在半導(dǎo)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(dǎo)體的活性區(qū)（通常是p-n結(jié)處）。這些電子和空穴在活性區(qū)內(nèi)會發(fā)生復(fù)合，即電子和空穴相遇并結(jié)合，釋放出能量，形成光子。
3.光的受激輻射
當(dāng)一個(gè)電子從導(dǎo)帶躍遷回到價(jià)帶時(shí)，它會釋放出一個(gè)光子。這個(gè)過程叫做自發(fā)輻射，但在半導(dǎo)體激光器中，最重要的是受激輻射。受激輻射的原理是，當(dāng)一個(gè)光子與一個(gè)處于激發(fā)態(tài)的電子碰撞時(shí)，激發(fā)態(tài)電子會躍遷到較低能級，并發(fā)射出與入射光子相同頻率、方向、相位和偏振的光子。
這個(gè)過程是光放大的基礎(chǔ)，在半導(dǎo)體激光器中，反復(fù)發(fā)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(dǎo)體激光器中進(jìn)行多次受激輻射，必須有一個(gè)光學(xué)腔來提供光反饋。這個(gè)腔通常由兩個(gè)鏡面組成，一個(gè)鏡面是反射鏡，另一個(gè)是部分透光鏡。光子在這兩個(gè)鏡面之間往返傳播，并逐漸增強(qiáng)，最終從部分透光鏡處輸出。
5.激光的產(chǎn)生
當(dāng)反向電流使得活性區(qū)的載流子密度足夠大時(shí)，發(fā)生的受激輻射就會超過自發(fā)輻射，光子會形成一個(gè)強(qiáng)烈的相干光束，從激光器的輸出端發(fā)射出來。這時(shí)，光波的方向性強(qiáng)、相位一致、頻率穩(wěn)定，從而形成了激光。
6.溫度與激光效率
半導(dǎo)體激光器的性能受溫度影響較大。溫度升高時(shí)，載流子的復(fù)合效率降低，光子發(fā)射的效率下降。因此，半導(dǎo)體激光器通常需要通過熱管理系統(tǒng)來保持工作溫度，確保激光輸出的穩(wěn)定性。
總結(jié)
半導(dǎo)體激光器通過電流注入激發(fā)電子和空穴在半導(dǎo)體材料中復(fù)合，產(chǎn)生光子。光子與其他電子發(fā)生受激輻射，形成光波。反射鏡提供光反饋，最終實(shí)現(xiàn)激光輸出。由于其體積小、效率高，半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于通信、激光打印、激光掃描、醫(yī)療和光盤存儲等領(lǐng)域。
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