半導(dǎo)體激光器實驗裝置是以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生激光的器件。.其工作原理是通過一定的激勵方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價帶）之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。

半導(dǎo)體激光器儀器簡介

圖1 激光器

工作原理

根據(jù)固體的能帶理論，半導(dǎo)體材料中電子的能級形成能帶。高能量的為導(dǎo)帶，低能量的為價帶，兩帶被禁帶分開。引入半導(dǎo)體的非平衡電子-空穴對復(fù)合時，把釋放的能量以發(fā)光形式輻射出去，這就是載流子的復(fù)合發(fā)光。

一般所用的半導(dǎo)體材料有兩大類，直接帶隙材料和間接帶隙材料，其中直接帶隙半導(dǎo)體材料如GaAs（砷化鎵）比間接帶隙半導(dǎo)體材料如Si有高得多的輻射躍遷幾率，發(fā)光效率也高得多。

半導(dǎo)體復(fù)合發(fā)光達到受激發(fā)射（即產(chǎn)生激光）的必要條件是：①粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布分別從P型側(cè)和n型側(cè)注入到有源區(qū)的載流子密度十分高時，占據(jù)導(dǎo)帶電子態(tài)的電子數(shù)超過占據(jù)價帶電子態(tài)的電子數(shù)，就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。②光的諧振腔在中，諧振腔由其兩端的鏡面組成，稱為法布里一珀羅腔。③高增益用以補償光損耗。諧振腔的光損耗主要是從反射面向外發(fā)射的損耗和介質(zhì)的光吸收。

是依靠注入載流子工作的，發(fā)射激光必須具備三個基本條件：

（1）要產(chǎn)生足夠的 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)；

（2）有一個合適的諧振腔能夠起到反饋作用，使受激輻射光子增生，從而產(chǎn)生激光震蕩；

（3）要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。

工作原理是激勵方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)（即利用電子）在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。

優(yōu)點：體積小、重量輕、運轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等。

封裝技術(shù)

5.1技術(shù)介紹

封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來的，但卻有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內(nèi)，封裝的作用主要是保護管芯和完成電氣互連。而封裝則是完成輸出電信號，保護管芯正常工作，輸出：可見光的功能，既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設(shè)計及技術(shù)要求，無法簡單地將分立器件的封裝用于。

5.2發(fā)光部分

的核心發(fā)光部分是由p型和n型半導(dǎo)體構(gòu)成的pn結(jié)管芯，當注入pn結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時，就會發(fā)出可見光，紫外光或近紅外光。但pn結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個方向發(fā)射有相同的幾率，因此，并不是管芯產(chǎn)生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導(dǎo)體材料質(zhì)量、管芯結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料，應(yīng)用要求提高的內(nèi)、外部量子效率。常規(guī)Φ5mm型封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲，鍵合為內(nèi)引線與一條管腳相連，負極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側(cè)面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內(nèi)發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護管芯等不受外界侵蝕；采用不同的形狀和材料性質(zhì)（摻或不摻散色劑），起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發(fā)散角；管芯折射率與空氣折射率相關(guān)太大，致使管芯內(nèi)部的全反射臨界角很小，其有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收，易發(fā)生全反射導(dǎo)致過多光損失，選用相應(yīng)折射率的環(huán)氧樹脂作過渡，提高管芯的光出射效率。用作構(gòu)成管殼的環(huán)氧樹脂須具有耐濕性，絕緣性，機械強度，對管芯發(fā)出光的折射率和透射率高。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強度的角分布也與管芯結(jié)構(gòu)、光輸出方式、封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關(guān)。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集中到的軸線方向，相應(yīng)的視角較小；如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型，其相應(yīng)視角將增大。

5.3驅(qū)動電流

圖6

一般情況下，的發(fā)光波長隨溫度變化為0.2-0.3nm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，當正向電流流經(jīng)pn結(jié)，發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，的發(fā)光強度會相應(yīng)地減少1%左右，封裝散熱；時保持色純度與發(fā)光強度非常重要，以往多采用減少其驅(qū)動電流的辦法，降低結(jié)溫，多數(shù)的驅(qū)動電流限制在20mA左右。但是，的光輸出會隨電流的增大而增加，很多功率型的驅(qū)動電流可以達到70mA、100mA甚至1*，需要改進封裝結(jié)構(gòu)，全新的封裝設(shè)計理念和低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)，改善熱特性。例如，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)，選用導(dǎo)熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應(yīng)用設(shè)計中，PCB線路板等的熱設(shè)計、導(dǎo)熱性能也十分重要。

進入21世紀后，的高效化、超高亮度化、全色化不斷發(fā)展創(chuàng)新，紅、橙光效已達到100Im/W，綠為501m/W，單只的光通量也達到數(shù)十Im。芯片和封裝不再沿龔傳統(tǒng)的設(shè)計理念與制造生產(chǎn)模式，在增加芯片的光輸出方面，研發(fā)不僅僅限于改變材料內(nèi)雜質(zhì)數(shù)量，晶格缺陷和位錯來提高內(nèi)部效率，同時，如何改善管芯及封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強內(nèi)部產(chǎn)生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優(yōu)化設(shè)計，改進光學決定因素

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半導(dǎo)體光電器件的工作波長是和制作器件所用的半導(dǎo)體材料的種類相關(guān)的。半導(dǎo)體材料中存在著導(dǎo)帶和價帶，導(dǎo)帶上面可以讓電子自由運動，而價帶下面可以讓空穴自由運動，導(dǎo)帶和價帶之間隔著一條禁帶，當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導(dǎo)帶中去時，就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導(dǎo)帶跳回價帶，又可以把電的能量變成光，這時材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長。材料科學的發(fā)展使我們能采用能帶工程對半導(dǎo)體材料的能帶進行各種精巧的裁剪，使之能滿足我們的各種需要并為我們做更多的事情，也能使半導(dǎo)體光電器件的工作波長突破材料禁帶寬度的限制擴展到更寬的范圍。

損耗關(guān)系

激光器的腔體可以有諧振腔和外腔之分。在諧振腔里，激光器的損耗有很多種類，比如偏折損耗，法布里珀羅諧振腔就有較大偏折損耗，而共焦腔的偏折損耗較小，適合于小功率連續(xù)輸出激光，還比如反轉(zhuǎn)粒子的躍遷損耗（這類損耗可以歸為白噪聲）等等之類的，都是腔長長損耗大。激光器閾值電流不過就是能讓激光器起振的電流，諧振腔長短的不同可以使得閾值電流有所不同，中，像邊發(fā)射激光器腔長較長，閾值電流相對較大，而垂直腔面發(fā)射激光器腔長極短，閾值電流就非常低了。這些都不是一兩句話可以說的清楚的，它們各自的速率方程也都不同，不是一兩個式子能解釋的。另外諧振腔長度不同也可以達到選模的作用，即輸出激光的頻率不同。

發(fā)展概況

簡介

又稱激光二極管(LD）。進入八十年代，人們吸收了半導(dǎo)體物理發(fā)展的成果，采用了量子阱（QW）和應(yīng)變量子阱（SL-QW）等新穎性結(jié)構(gòu)，引進了折射率調(diào)制Bragg發(fā)射器以及增強調(diào)制Bragg發(fā)射器技術(shù)，同時還發(fā)展了MBE、MOCVD及CBE等晶體生長技術(shù)新工藝，使得新的外延生長工藝能夠精確地控制晶體生長，達到原子層厚度的精度，生長出優(yōu)質(zhì)量子阱以及應(yīng)變量子阱材料。于是，制作出的LD，其閾值電流顯著下降，轉(zhuǎn)換效率大幅度提高，輸出功率成倍增長，使用壽命也明顯加長。

小功率

用于信息技術(shù)領(lǐng)域的小功率LD發(fā)展極快。例如用于光纖通信及光交換系統(tǒng)的分布反饋(DFB）和動態(tài)單模LD、窄線寬可調(diào)諧DFB-LD、用于光盤等信息處理技術(shù)領(lǐng)域的可見光波長（如波長為670nm、650nm、630nm的紅光到藍綠光）LD、量子阱面發(fā)射激光器以及超短脈沖LD等都得到實質(zhì)性發(fā)展。這些器件的發(fā)展特征是：單頻窄線寬、高速率、可調(diào)諧以及短波長化和光電單片集成化等。

高功率

1983年，波長800nm的單個LD輸出功率已超過100mW，到了1989年，0.1mm條寬的LD則達到3.7W的連續(xù)輸出，而1cm線陣LD已達到76W輸出，轉(zhuǎn)換效率達39%。1992年，美國人又把指標提高到一個新水平：1cm線陣LD連續(xù)波輸出功率達121W，轉(zhuǎn)換效率為45%。輸出功率為120W、1500W、3kW等諸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列陣的迅速發(fā)展也為全固化激光器，亦即半導(dǎo)體激光泵浦（LDP）的固體激光器的迅猛發(fā)展提供了強有力的條件。

為適應(yīng)EDFA和EDFL等需要，波長980nm的大功率LD也有很大發(fā)展。配合光纖Bragg光柵作選頻濾波，大幅度改善其輸出穩(wěn)定性，泵浦效率也得到有效提高。

產(chǎn)品分類

（1）異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器

（2）條形結(jié)構(gòu)激光器

（3）GaAIAs/GaAs激光器

（4）InGaAsP/InP激光器

（5）可見光激光器

（6）遠紅外激光器

（7）動態(tài)單模激光器

（8）分布反饋激光器

（9）量子阱激光器

（10）表面發(fā)射激光器

（11）微腔激光器