中心議題：

• 激光的產生機理
• 激光二極管本質

一、激光的產生機理
　　
在講激光產生機理之前，先講一下受激輻射。在光輻射中存在三種輻射過程，

一時處於高能態的粒子在外來光的激發下向低能態躍遷，稱之為自發輻射
；
二是處於高能態的粒子在外來光的激發下向低能態躍遷
，稱之為受激輻射
；
三是處於低能態的粒子吸收外來光的能量向高能態躍遷稱之為受激吸收。
　　
自發輻射
，即使是兩個同時從某一高能態向低能態躍遷的粒子，它們發出光的相位
、偏振狀態、發射方向也可能不同，但受激輻射就不同，當位於高能態的粒子在外來光子的激發下向低能態躍遷，發出在頻率
、相位、偏振狀態等方麵與外來光子完全相同的光。在激光器中
，發生的輻射就是受激輻射，它發出的激光在頻率、相位
、偏(pian)振(zhen)狀(zhuang)態(tai)等(deng)方(fang)麵(mian)完(wan)全(quan)一(yi)樣(yang)。任(ren)何(he)的(de)受(shou)激(ji)發(fa)光(guang)係(xi)統(tong)，即(ji)有(you)受(shou)激(ji)輻(fu)射(she)，也(ye)有(you)受(shou)激(ji)吸(xi)收(shou)，隻(zhi)有(you)受(shou)激(ji)輻(fu)射(she)占(zhan)優(you)勢(shi)

，才(cai)能(neng)把(ba)外(wai)來(lai)光(guang)放(fang)大(da)而(er)發(fa)出(chu)激(ji)光(guang)。而(er)一(yi)般(ban)光(guang)源(yuan)中(zhong)都(dou)是(shi)受(shou)激(ji)吸(xi)收(shou)占(zhan)優(you)勢(shi)，隻(zhi)有(you)粒(li)子(zi)的(de)平(ping)衡(heng)態(tai)被(bei)打(da)破(po)，使(shi)高(gao)能(neng)態(tai)的(de)粒(li)子(zi)數(shu)大(da)於(yu)低(di)能(neng)態(tai)的(de)粒(li)子(zi)數(shu)（這樣情況稱為離子數反轉）

，才能發出激光。
　　
產生激光的三個條件是：實現粒子數反轉、滿(man)足(zu)閾(yu)值(zhi)條(tiao)件(jian)和(he)諧(xie)振(zhen)條(tiao)件(jian)。產(chan)生(sheng)光(guang)的(de)受(shou)激(ji)發(fa)射(she)的(de)首(shou)要(yao)條(tiao)件(jian)是(shi)粒(li)子(zi)數(shu)反(fan)轉(zhuan)，在(zai)半(ban)導(dao)體(ti)中(zhong)就(jiu)是(shi)要(yao)把(ba)價(jia)帶(dai)內(nei)的(de)電(dian)子(zi)抽(chou)運(yun)到(dao)導(dao)帶(dai)。為(wei)了(le)獲(huo)得(de)離(li)子(zi)數(shu)反(fan)轉(zhuan)，通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)重(zhong)摻(chan)雜(za)的(de)P型和N型材料構成PN結
，這樣，在外加電壓作用下，在結區附近就出現了離子數反轉—在高費米能級EFC以下導帶中貯存著電子，而在低費米能級EFV以上的價帶中貯存著空穴。

實(shi)現(xian)粒(li)子(zi)數(shu)反(fan)轉(zhuan)是(shi)產(chan)生(sheng)激(ji)光(guang)的(de)必(bi)要(yao)條(tiao)件(jian)，但(dan)不(bu)是(shi)充(chong)分(fen)條(tiao)件(jian)。要(yao)產(chan)生(sheng)激(ji)光(guang)，還(hai)要(yao)有(you)損(sun)耗(hao)極(ji)小(xiao)的(de)諧(xie)振(zhen)腔(qiang)

，諧(xie)振(zhen)腔(qiang)的(de)主(zhu)要(yao)部(bu)分(fen)是(shi)兩(liang)個(ge)互(hu)相(xiang)平(ping)行(xing)的(de)反(fan)射(she)鏡(jing)，激(ji)活(huo)物(wu)質(zhi)所(suo)發(fa)出(chu)的(de)受(shou)激(ji)輻(fu)射(she)光(guang)在(zai)兩(liang)個(ge)反(fan)射(she)鏡(jing)之(zhi)間(jian)來(lai)回(hui)反(fan)射(she)
，不(bu)斷(duan)引(yin)起(qi)新(xin)的(de)受(shou)激(ji)輻(fu)射(she)，使(shi)其(qi)不(bu)斷(duan)被(bei)放(fang)大(da)。隻(zhi)有(you)受(shou)激(ji)輻(fu)射(she)放(fang)大(da)的(de)增(zeng)益(yi)大(da)於(yu)激(ji)光(guang)器(qi)內(nei)的(de)各(ge)種(zhong)損(sun)耗(hao)，即(ji)滿(man)足(zu)一(yi)定(ding)的(de)閾(yu)值(zhi)條(tiao)件(jian):
P1P2exp(2G-2A)≥1
（P1
、P2是兩個反射鏡的反射率

，G是激活介質的增益係數
，A是介質的損耗係數，exp為常數），才能輸出穩定的激光，

另一方麵，激光在諧振腔內來回反射，隻有這些光束兩兩之間在輸出端的相位差Δф=2qπq=1、2
、3、4。。。。時
，才能在輸出端產生加強幹涉
，輸出穩定激光。設諧振腔的長度為L，激活介質的折射率為N，則
Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，

上式可化為f=qc/2NL該式稱為諧振條件，它表明諧振腔長度L和折射率N確定以後，隻有某些特定頻率的光才能形成光振蕩，輸出穩定的激光。這說明諧振腔對輸出的激光有一定的選頻作用。
　　
二
、激光二極管本質

激光二極管本質上是一個半導體二極管，按照PN結材料是否相同，可以把激光二極管分為同質結、單異質結（SH）、雙異質結（DH）和量子阱（QW）激ji光guang二er極ji管guan。量liang子zi阱jing激ji光guang二er極ji管guan具ju有you閾yu值zhi電dian流liu低di
，輸shu出chu功gong率lv高gao的de優you點dian，是shi目mu前qian市shi場chang應ying用yong的de主zhu流liu產chan品pin。同tong激ji光guang器qi相xiang比bi，激ji光guang二er極ji管guan具ju有you效xiao率lv高gao、體積小、壽命長的優點，但其輸出功率小（一般小於2mW），線性差、單(dan)色(se)性(xing)不(bu)太(tai)好(hao)，使(shi)其(qi)在(zai)有(you)線(xian)電(dian)視(shi)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)受(shou)到(dao)很(hen)大(da)限(xian)製(zhi)，不(bu)能(neng)傳(chuan)輸(shu)多(duo)頻(pin)道(dao)，高(gao)性(xing)能(neng)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)。在(zai)雙(shuang)向(xiang)光(guang)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)回(hui)傳(chuan)模(mo)塊(kuai)中(zhong)，上(shang)行(xing)發(fa)射(she)一(yi)般(ban)都(dou)采(cai)用(yong)量(liang)子(zi)阱(jing)激(ji)光(guang)二(er)極(ji)管(guan)作(zuo)為(wei)光(guang)源(yuan)。
　　
半導體激光二極管的基本結構如圖所示，垂直於PN結麵的一對平行平麵構成法布裏——珀po羅luo諧xie振zhen腔qiang，它ta們men可ke以yi是shi半ban導dao體ti晶jing體ti的de解jie理li麵mian
，也ye可ke以yi是shi經jing過guo拋pao光guang的de平ping麵mian。其qi餘yu兩liang側ce麵mian則ze相xiang對dui粗cu糙cao
，用yong以yi消xiao除chu主zhu方fang向xiang外wai其qi它ta方fang向xiang的de激ji光guang作zuo用yong。
　　
半導體中的光發射通常起因於載流子的複合。當半導體的PN結加有正向電壓時，會削弱PN結勢壘



，迫使電子從N區經PN結注入P區
，空穴從P區經過PN結注入N區

，這些注入PN結附近的非平衡電子和空穴將會發生複合
，從而發射出波長為λ的光子
，其公式如下：
λ=hc/Eg(1)
式中：h—普朗克常數；c—光速；Eg—半導體的禁帶寬度。
　　
上述由於電子與空穴的自發複合而發光的現象稱為自發輻射。當自發輻射所產生的光子通過半導體時，一旦經過已發射的電子—kongxueduifujin
，jiunengjilierzhefuhe

，chanshengxinguangzi，zhezhongguangziyoushiyijifadezailiuzifuheerfachuxinguangzixianxiangchengweishoujifushe。ruguozhurudianliuzugouda，zehuixingchengherepinghengzhuangtaixiangfandezailiuzifenbu
，jilizishufanzhuan。

當(dang)有(you)源(yuan)層(ceng)內(nei)的(de)載(zai)流(liu)子(zi)在(zai)大(da)量(liang)反(fan)轉(zhuan)情(qing)況(kuang)下(xia)，少(shao)量(liang)自(zi)發(fa)輻(fu)射(she)產(chan)生(sheng)的(de)光(guang)子(zi)由(you)於(yu)諧(xie)振(zhen)腔(qiang)兩(liang)端(duan)麵(mian)往(wang)複(fu)反(fan)射(she)而(er)產(chan)生(sheng)感(gan)應(ying)輻(fu)射(she)，造(zao)成(cheng)選(xuan)頻(pin)諧(xie)振(zhen)正(zheng)反(fan)饋(kui)，或(huo)者(zhe)說(shuo)對(dui)某(mou)一(yi)頻(pin)率(lv)具(ju)有(you)增(zeng)益(yi)。當(dang)增(zeng)益(yi)大(da)於(yu)吸(xi)收(shou)損(sun)耗(hao)時(shi)，就(jiu)可(ke)從(cong)PN結發出具有良好譜線的相幹光——激光，這就是激光二極管的簡單原理。
　　
隨著技術和工藝的發展，目前實際使用的半導體激光二極管具有複雜的多層結構。
　　
常用的激光二極管有兩種:①PIN光電二極管。它在收到光功率產生光電流時
，會帶來量子噪聲。②雪崩光電二極管。它能夠提供內部放大,比PIN光電二極管的傳輸距離遠，但量子噪聲更大。為了獲得良好的信噪比，光檢測器件後麵須連接低噪聲預放大器和主放大器。
　　
半導體激光二極管的工作原理，理論上與氣體激光器相同。
　　
激光二極管本質上是一個半導體二極管，按照PN結材料是否相同
，可以把激光二極管分為同質結、單異質結（SH）
、雙異質結（DH）和量子阱（QW）激ji光guang二er極ji管guan。量liang子zi阱jing激ji光guang二er極ji管guan具ju有you閾yu值zhi電dian流liu低di
，輸shu出chu功gong率lv高gao的de優you點dian

，是shi目mu前qian市shi場chang應ying用yong的de主zhu流liu產chan品pin。同tong激ji光guang器qi相xiang比bi，激ji光guang二er極ji管guan具ju有you效xiao率lv高gao、體積小、壽命長的優點，但其輸出功率小（一般小於2mW），線性差
、單(dan)色(se)性(xing)不(bu)太(tai)好(hao)，使(shi)其(qi)在(zai)有(you)線(xian)電(dian)視(shi)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)受(shou)到(dao)很(hen)大(da)限(xian)製(zhi)
，不(bu)能(neng)傳(chuan)輸(shu)多(duo)頻(pin)道(dao)，高(gao)性(xing)能(neng)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)。在(zai)雙(shuang)向(xiang)光(guang)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)回(hui)傳(chuan)模(mo)塊(kuai)中(zhong)
，上(shang)行(xing)發(fa)射(she)一(yi)般(ban)都(dou)采(cai)用(yong)量(liang)子(zi)阱(jing)激(ji)光(guang)二(er)極(ji)管(guan)作(zuo)為(wei)光(guang)源(yuan)。
　　
半導體激光二極管的常用參數有：
（1）波長：即激光管工作波長
，目前可作光電開關用的激光管波長有635nm
、650nm
、670nm

、690nm、780nm
、810nm、860nm、980nm等。
（2）閾值電流Ith：即激光管開始產生激光振蕩的電流，對一般小功率激光管而言，其值約在數十毫安，具有應變多量子阱結構的激光管閾值電流可低至10mA以下。
（3）工作電流Iop：即激光管達到額定輸出功率時的驅動電流
，此值對於設計調試激光驅動電路較重要。
（4）垂直發散角θ⊥：激光二極管的發光帶在垂直PN結方向張開的角度，一般在15?~40?左右。
（5）水平發散角θ∥：激光二極管的發光帶在與PN結平行方向所張開的角度，一般在6?~10?左右。
（6）監控電流Im：即激光管在額定輸出功率時
，在PIN管上流過的電流。
　　
激光二極管在計算機上的光盤驅動器
，激光打印機中的打印頭等小功率光電設備中得到了廣泛的應用。