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半導體激光器的發光原理
點擊次數：3496 時間：2025-01-10
半導體(ti)(ti)激(ji)(ji)光器（SemiconductorLaser,或稱(cheng)為激(ji)(ji)光二(er)極管，LaserDiode,LD）的(de)發光原理基于半導體(ti)(ti)材料(liao)的(de)受激(ji)(ji)輻(fu)射（StimulatedEmission）現象，類(lei)似(si)于其他類(lei)型的(de)激(ji)(ji)光器，如固體(ti)(ti)激(ji)(ji)光器或氣體(ti)(ti)激(ji)(ji)光器。其工(gong)作原理可以分為以下幾個關(guan)鍵步驟：
1.半導(dao)體材料(liao)的能帶結構
半導(dao)(dao)體材料具有能(neng)(neng)帶(dai)(dai)結構，包括價帶(dai)(dai)和導(dao)(dao)帶(dai)(dai)。電子(zi)在價帶(dai)(dai)上，當吸收足夠的能(neng)(neng)量時，電子(zi)會躍遷到導(dao)(dao)帶(dai)(dai)，這(zhe)種(zhong)現象稱為電子(zi)激發。這(zhe)種(zhong)激發可以通過外加電流、光或熱來實現。
2.注入電(dian)流(liu)和載流(liu)子復合
在半導(dao)體激(ji)光器中，首先通(tong)過(guo)電(dian)流注入（一(yi)般是通(tong)過(guo)電(dian)極）將電(dian)子(zi)(zi)和空(kong)穴（正(zheng)電(dian)荷(he)載(zai)流子(zi)(zi)）注入到半導(dao)體的活性區（通(tong)常是p-n結(jie)處）。這些電(dian)子(zi)(zi)和空(kong)穴在活性區內(nei)會發生復(fu)合(he)，即(ji)電(dian)子(zi)(zi)和空(kong)穴相遇并結(jie)合(he)，釋放(fang)出能量，形(xing)成光子(zi)(zi)。
3.光的(de)受(shou)激輻射(she)
當一個(ge)電(dian)子(zi)從導帶躍遷回到價(jia)帶時(shi)(shi)，它會釋放出(chu)一個(ge)光(guang)子(zi)。這個(ge)過程(cheng)叫做自發(fa)輻射(she)，但在半(ban)導體激(ji)光(guang)器中，最重(zhong)要的(de)是受(shou)激(ji)輻射(she)。受(shou)激(ji)輻射(she)的(de)原理是，當一個(ge)光(guang)子(zi)與一個(ge)處于激(ji)發(fa)態(tai)(tai)的(de)電(dian)子(zi)碰撞時(shi)(shi)，激(ji)發(fa)態(tai)(tai)電(dian)子(zi)會躍遷到較低能(neng)級，并發(fa)射(she)出(chu)與入射(she)光(guang)子(zi)相同頻率、方向、相位和偏(pian)振的(de)光(guang)子(zi)。
這個過(guo)程是光(guang)放大的基礎，在半導體激(ji)光(guang)器中(zhong)，反(fan)復(fu)發生光(guang)子的受激(ji)輻射過(guo)程，最終形(xing)成激(ji)光(guang)輸(shu)出。
4.激(ji)光器腔和光反(fan)饋
為了讓光(guang)子(zi)(zi)在半導體(ti)激光(guang)器中進(jin)行(xing)多次(ci)受激輻射(she)，必須有一(yi)(yi)個(ge)(ge)光(guang)學腔來(lai)提供光(guang)反饋。這(zhe)個(ge)(ge)腔通常由兩(liang)個(ge)(ge)鏡(jing)(jing)面(mian)組成，一(yi)(yi)個(ge)(ge)鏡(jing)(jing)面(mian)是反射(she)鏡(jing)(jing)，另(ling)一(yi)(yi)個(ge)(ge)是部(bu)分透(tou)光(guang)鏡(jing)(jing)。光(guang)子(zi)(zi)在這(zhe)兩(liang)個(ge)(ge)鏡(jing)(jing)面(mian)之間(jian)往返傳(chuan)播，并(bing)逐漸增強，最終(zhong)從(cong)部(bu)分透(tou)光(guang)鏡(jing)(jing)處(chu)輸出。
5.激(ji)光的產生
當反向(xiang)電流使(shi)得活性區的載流子(zi)密度足夠大時(shi)，發(fa)生的受激輻射就會超(chao)過自發(fa)輻射，光子(zi)會形(xing)成一(yi)個強(qiang)烈的相干光束，從(cong)(cong)激光器的輸出端發(fa)射出來。這時(shi)，光波(bo)的方(fang)向(xiang)性強(qiang)、相位(wei)一(yi)致、頻率穩定，從(cong)(cong)而形(xing)成了激光。
6.溫(wen)度與激光效率(lv)
半導(dao)體(ti)激(ji)光器的(de)(de)性能受溫度(du)影響較大。溫度(du)升高時，載流子的(de)(de)復合效(xiao)率(lv)(lv)降低，光子發射的(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)下降。因此，半導(dao)體(ti)激(ji)光器通常需要通過熱管理系統來保持工作溫度(du)，確保激(ji)光輸出的(de)(de)穩定(ding)性。
總結(jie)
半(ban)導體(ti)激(ji)(ji)光(guang)器通(tong)過電(dian)流注入激(ji)(ji)發電(dian)子(zi)和空穴在半(ban)導體(ti)材料(liao)中(zhong)復合，產生光(guang)子(zi)。光(guang)子(zi)與(yu)其他電(dian)子(zi)發生受(shou)激(ji)(ji)輻射，形成光(guang)波(bo)。反射鏡提供(gong)光(guang)反饋，最終實(shi)現激(ji)(ji)光(guang)輸出。由于其體(ti)積小、效率高，半(ban)導體(ti)激(ji)(ji)光(guang)器廣泛應用于通(tong)信、激(ji)(ji)光(guang)打印、激(ji)(ji)光(guang)掃描(miao)、醫療和光(guang)盤(pan)存儲等(deng)領域(yu)。
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