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第3篇 半导体激光器材料

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半导体激光器
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激光:Laser(light amplification by stimulated emission of radiation), 辐射的受激发射光放大。 主要内容: 2)激光的特点; 1)激光的产生; 自从美国人梅曼制造出第一台激光 器以后,到今天人们对激光并不陌生,如激光开 刀,可自动止血;全息激光照片可以假乱真;还 有激光照相、激光美容等….。激光在军事上也有 广泛的应用。 引言: 第3章 半导体激光器材料 3.1 激光技术简介 一、激光的产生原理 1、普通光源发光-受激吸收和自发辐射 1)受激吸收(简称“吸收”) 处在低能级E1的原子受到 等于E2-E1的外来能量时, 吸收这一能量跃迁到高能级的 过程。 E2 E1 h 2)自发辐射 E2 E1 E3 处在高能级(E2)的原子,即使没有任何外界 的激励,总是自发地跃迁到低能级(E1),并 且发射一个频率为,能量h=E2-E1的光子的过 程。 自发辐射的光是非相干光 2、受激发射和光的放大 受激辐射:(1917年爱因斯坦提出) 处在高能级上(E2)的原子,受到能量恰为h=E2-E1 的外来光子的激励(或诱发,或剌激)从而跃迁到低能级 E1,并发射一个与外来光子“一模一样”的光子的过程。 E2 E1 外来光子 受激辐射光子 与外来光子频率 相同、相位相同、 偏振方向和传播 方向相同。 特点: 受激辐射中,光子成倍增长,产生了光放大。 受激辐射产生的光子与入射光子是完全相干的; 激光的产生过程 粒子数反转状态 E1 E2 E3 E4 E1 E2 能 量 且粒子数正常分布是: 激光是受激辐射的光,但实际中还存在自发辐射 和吸收, 为了有效地产生激光,要改变这种分布,形成粒子数 反转的状态。 3、粒子数反转:产生激光的必要条件 粒子数反转状态 E1 E2 怎样才能实现粒子数反转呢? 1)提供足够的能量; 2)原子在激发态多“呆” 一会; 3)减小损失,不断放 大。 二、 激光简史和我国的激光技术 1917年,爱因斯坦提出受激辐射 1961年8月,我国第一台红宝石激光器在长春光机所研制 成功 1964年,汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫分享诺贝尔物 理学奖 1987年6月,大功率脉冲激光系统-神光装置,在上海光 (学精密)机(械研究)所研制成功 1959年,汤斯提出制造红宝石激光器的建议 1958年,汤斯和肖洛发表《红外与光学激射器》, 巴索夫和普罗霍罗夫发表《实现三能级粒子数反 转和半导体激光器建议》 1960年,加州休斯实验室的梅曼制成了第一台红 宝石激光器 普罗霍罗夫 巴索夫 汤斯 1964年诺贝尔物理学奖一半授予美国马萨诸塞州坎布里奇的 麻省理工学院的汤斯(Charles H.Townes, 1915一),另 一半授予苏联莫斯科苏联科学院列别捷夫物理研究所的巴索 夫(Nikolny G.Basov,1922一)和普罗霍罗夫( Aleksandr M. Prokhorov, 1916--),以表彰他们从事量子电子学 方面的基础工作,这些工作导致了基于微波激射器和激光原 理制成的振荡器和放大器。 三、激光器的结构 1、工作介质:产生激光的原子系统或可以实现粒子数反 转的气体、液体或固体 所谓能级合适是指存在“亚稳态能级”,即存在激 发态寿命=10-3秒左右的能级(一般原子系统的 激发态寿命只有10-8秒) E1 E2 E3 激 发 能 量 亚稳态能级 产生激光的能级系统(例) (1)三能级系统 (2)四能级系统 三能级系统 四能级系统 红宝石激光器铷玻璃激光器 2、激励源:用来实现和维持粒子数反转。有电激 励,光激励,热激励,化学激励等 激励--从外界吸收能量,使原子系统的原子不断从低能态 跃迁到高能态能级以实现粒子数反转 的过程(又称“激发”、“抽运” 或 “泵浦”)。 1)光泵抽运 如红宝石激光器 粒子数反转状态 E1 E2 E1 E2 红宝石激光器的示意图 2)电子碰撞 -- -- -- -- -- 如氩离子激光器 电子 3)化学反应 如氟化氘激光器等。 4)共振转移 如He--Ne激光器 。 -- NeHe -- NeHe -- 要有一个能使受激辐射和光放大过程持续的构造: 全反 射镜 半反 射镜 实物图 原理图 激光工作物质 3、光学谐振腔 激光工作物质 全 反 射 镜 半 反 射 镜 工作原理: out 光放大原理 小结: 激光器的三个主要组成部分 1.工作物质: 2.激励能源: 有合适的能级结构 能实现粒子数反转 3.光学谐振腔: 保证光放大 使激光有良好的方向性和单色性 使原子激发 维持粒子数反转 谐振腔 激励系统激励系统 工作物质工作物质 四、激光器的种类 1、固体激光器:器件小、坚固、使用方便、输出功率大 2、气体激光器:结构简单、造价低,操作方便, 介质均匀光束质量好且能长时间稳定工作 He-Ne激光器简介:最早(1961)制成且应用最广泛。 激光波长为632.8纳米(氖原子发出),采用电激励。 高压电源使气体放电,氦激发,能量传递给氖,四 能级系统 4、半导体激光器:体积、质量小,寿命长,结构简单而 坚固 3、 液体激光器:输出波长连续可调,覆盖面宽 五.激光的特性及应用 (一)、激光的主要特性 1、方向性好---激光的发散角小。 激光器 Laser He--Ne激光经纬仪 测月红宝石激光器 =0.031mrad =410-5mrad D=1.6km =2~5mrad(毫弧度) (1km时光斑直径10m) 光源 2 、亮度高、能量集中 太阳 1mW He--Ne激光器 大功率激光器 SE  光源亮度--单位面积、单位时间在垂直于光源 表面的单位立体角内发射的能量。 立体角定义:  = S /r2 S r  P=1mW的氦-氖激光器的亮度约是太阳光的44倍 可使一切金属熔化 可使一切非金属化为一缕青烟 3)单色性好 激光所包含的波长或频率范围极小 一束普通的红光 频率范围: Laser 6328埃的He--Ne激光(中心频率 (理论值,实际几赫兹) 又如单色性最好的氪灯,其中心波长6057埃 波长范围: He-Ne Laser中心波长 波长范围: 4)相干性好 相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。 相干性越好则光场中各点光振动在频率、振 动方向的一致性越好,相位的关联性也越好。 相干性越好则光场中任取两点作光源所产生 的干涉和衍射的条纹越清晰。 杨氏双缝干涉 单 缝 双 缝 屏 I r 圆孔衍射 注意:光的单色性越好,则其相干性也越好。 二者是统一的. 激光的应用 普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐射,它发出的光是相干光. 普通灯光与激光的比较 ★ 军事:激光制导、激光武器 ★ 加工:光刻、焊接、切割、打孔、雕刻 ★ 医疗:美容、手术 ★ 核技术:核聚变点火 ★ 生活:光纤通讯、激光笔、光盘存储 ★ 科技:光源、激光冷却、全息、激光光解 (二)、应用 激光核聚变 这是激光核聚变靶室,在靶室内十束激光同时聚向一个产生 核聚变反应的小燃料样品上,引发核聚变。 激光焊接 高能激光(能产生约5500 oC的高温)把大 块硬质材料焊接在一起 用激光使脱落的视网膜再复位 (目前已是常规的医学手术) 用脉冲的染料激光(波长585nm)处理皮肤色素 处理前处理后 由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级, 一根极细的光纤 能承载的信息量, 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量。 激光光纤通讯 光盘存储 3.1.1 pn结激光器 3.1.2 异质结激光器 由两种不同的半导体材料构成的PN结称 为半导体异质结。 由同一种半导体材料构成的PN结称为半 导体同质结。 3.1.3 量子阱激光器 异质结厚度仅为1~10nm的异质结激光器 称为量子阱激光器。 量子阱激光器的优点是阈值电流仅为异质结激 光器的四分之一,因此有利于光集成化和制作大功 率半导体激光器,并且它的光束质量好,有利于提 高光通信的质量。 3.1.4 分布反馈激光器 分布反馈激光器是一种侧壁被做成周期 性光栅波导结构的半导体激光器。 3.2 蓝光半导体激光器材料 GaN是最引人注目的蓝光半导体激光器 材料。可与AlN,InN形成带隙连续可变的固 熔体。 在发展成GaN激光器的过程中,最大的困 难有两个,一是缺乏晶格常数和热膨胀系数 与GaN匹配的衬底材料,二是难以实现高P型 掺杂。 20世纪80年代后期,人们先后用在蓝宝 石或SiC衬底材料上引入过渡层的方法和对高 阻GaN材料进行低能电子辐射的方法解决了这 两个问题。 日本日亚公司在1993年率先研制成功输 出功率为1mW的InGaN/AlGaN双异质结蓝色发 光二极管,稍后该公司又开发出输出功率为 5mW的单量子阱蓝色发光二极管。 1995年日本名古屋大学采用以蓝宝石和 SiC为衬底材料的InGaN/AlGaN双异质结蓝色 发光二极管,首次在低温下实现了蓝光受激 发射。 1996年,日本日亚公司终于研制成功能在室 温下运行的InGaN多量子阱蓝光半导体激光器。 后来,该公司又在1997年用Si掺杂的InGaN量 子阱代替以前的未掺杂量子阱作为发光层,减小 了由电流产生的热效应,提高了器件的寿命。 日亚公司在1998年初制备成功实用化的蓝光 (417nm)InGaN多量子阱激光器 。 ZnSe是一种蓝绿光半导体激光器材料。 在用ZnSe研制蓝绿光激光器的过程中主 要遇到三个问题:第一是难以实现高载流子 浓度的P型掺杂;第二是难以降低P型ZnSe欧 姆接触;第三是缺陷密度高导致激光器寿命 较短。 3.3 蓝绿光半导体激光器材料 20世纪90年代初期,人们以氮离子为掺 杂源,用分子束外延工艺解决了掺杂问题。在 此基础上,3M公司率先研制成功全世界第一 个ZnCdSe/ZnSe量子阱有源层电流泵浦蓝绿 光(490nm)半导体激光器,该器件在77K的低 温运行。接着,该公司在1993年又首次实现了 ZnCdSe/ZnSe/ZnMgSeS量子阱蓝绿光 (490nm)半导体激光器在室温的连续工作。 用重掺杂的ZnTe、ZnSe多层结 构或ZnSe、ZnSe1-xTex、HgSe构成 的渐变异质结构来降低p型ZnSe的欧 姆接触,取得了一定的成效,但欧姆 接触电阻还是太高。 解决缺陷问题:一是改进外延工艺 以提高膜层质量;二是设法增加ZnSe材 料的共价键成分,提高其硬度,减小与 GaAs衬底的晶格失配,人们通过在 ZnSe中掺入Be或者采用BeTe/ZnSe超 晶格材料,在很大程度上解决了这些问 题。 3.4 红光半导体激光器材料 红光半导体激光器材料主要有InGaAlP和 InGaP/GaAsP等。 在用分子束外延和金属有机气相外延工 艺制备InGaAlP薄层单晶时,为了保证膜层的 质量,严格控制源的纯度、外延系统的密闭 性和InGaAlP膜层的生长温度是最关键的三个 工艺参数。 InGaAlP红光半导体激光器也采用双异质结结构,分为 增益导引、折射率导引和量子阱结构三种。 增益导引型的缺点是输出功率低、光束质量差,故无 法满足高密度可录光存储的需要。 折射率导引型能有效地实现光模限制、降低像散并抑 制阈值电流的增加。 多量子阱结构的优点是可以降低激光器的阈值电流、 提高激光器的工作温度,从而改善激光器在高功率工作下 的温度特性和可靠性。 3.5 近红外短波长半导体激光器材料 用于近红外短波长半导体激光器的有源区材料主要是 780nm的AlGaAs/GaAs材料、 800nm的GaInP(As)/GaAS和 980nm的GaInAs/GaAs材料。 3.5.1 780nm的AlGaAs/GaAs和800nm的GaInP(As)/GaAs 材料 3.5.2 980nm的InGaAs/GaAs材料 1、AlGaAs/GaAS/InGaAs材料 2、GaInAsP/GaAs/InGaAs材料 3.6 近红外长波长半导体激光器材料 近红外长波长半导体激光器材料是指对应于 1.3~1.55μm波段的InP基激光器材料。 InP基材料包括GaInAsP/InP和AlGaInAs/InP两个 材料体系。 除了可用来制作光纤通信系统的核心器件近 红外长波长激光器之外,InP基半导体材料在探测 器、高速电子器件和光电子集成回路等方面也都有 着广泛的应用。 3.7 中红外波段(2~3μm)半导体激光器材料 3.7.1 InGaAsSb/AlGaAsSb/GaSb量子阱激光器材料 由于液相外延工艺是一种热力学平衡生长过程,在生 长InGaAsSb/AlGaAsSb异质结时遇到了两个难以克服的困 难。 20世纪80年代中期,人们终于用分子束外延技术解 决了这两个问题。 3.7.2 InGaAs/InGaAsP/InP应变量子阱激光器材料 第一只InGaAs/InGaAsP/InP应变量子阱2μm激光器诞 生于1992年。 3.8 中远红外波段(4~17μm)半导体激光器 材料 已有的各种半导体激光器,不论是同质 结构激光器、异质结构激光器还是量子阱激 光器,这类pn结激光器的激射机理都是建立 在电子和空穴这两种载流子辐射复合产生光 子的基础上,其激射波长取决于半导体材料 的带隙。 美国贝尔实验室在1994年率先研制成功全世 界第一只量子级联激光器。 该激光器工作波长为4.3μm,采用由分子束 外延技术生长的三阱耦合InAlAs/InGaAs/InP材 料,这种三阱耦合结构由大约500层超薄外延层 构成,最薄的外延层厚度仅为0.8nm。
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