半导体激光二极管(LED)就是基于这种受激辐射产生的激光。
如图就是半导体激光二极管的基本结构。通过对入射出射平面抛光形成法布里-珀罗(F-P)谐振腔,另一对面弄粗糙消除其他方向激光作用。当激光二极管施加正向偏压时,就会产生自发辐射,随着电压上升,在半导体内到达一个阈值电流时,开始发生受激辐射,从PN结就会发射出高定向性激光。
11.3半导体激光器工作特性
光学模和光谱特性
当电流通过半导体激光器,自发辐射和受激辐射形成的粒子数反转而产生光,由于F-P腔的反射,光子多次来回通过粒子数反转区,产生倍增。当平面间距离为半波长的整数倍时,在激光二极管内形成驻波,模数m可由半波长数值得出:
。L为两端面距离,n为激光介质折射率。模的间隔由dm/dλ确定,考虑到n随波长变化很快
对应dm=-1模的间隔dλ为
取dm=-1是因为m值减小1对应于F-P腔端面间减少一个半波长,即波长λ增加。
通常激光二极管会存在几个纵模,造成光谱展宽,需要抑制主模外的其他模实现单模工作。
低温时激光器纵模结构比较清晰,但温度变高时会出现“丝状发光”现象,激光峰值也向长波移动,工作波长的改变会降低半导体激光器的发光效率。
辐射场和偏振态
谐振腔的中的光以模的形式存在,每个模都有自己的传播常数βm和横向电场分布,也就是横模。横模经端面射出后形成辐射场,辐射场的角分布沿平行和垂直结面方向分别称为侧横场和正横场。通常谐振腔横向尺寸越小,辐射场发散角越大。由于谐振腔平行于结面的宽度远大于垂直于结面的厚度,侧横场发散角远小于正横场,光限制仅在一个横场方向,因此半导体激光器输出的激光偏振度很高。
激光阈值特性
注入电流逐渐增大的过程,实际上经历了三种类型 的发光过程:
(1)电流较小时,注入载流子较少,辐射复合不足 以克服吸收的作用,此时发出光为荧光,光强较弱, 带宽较宽,增益 G