2009-11-17
半导体激光器 调Q 锁模
能带
在半导体晶体中，大量原子有序排列，原子能级分离，形成能带。低能级称为价带（Valence Band VB），高能级称为导带(Conduction band CB)。价带和导带之间不存在能级，称为禁带。其间隔称为禁带间隔Eg。价带上的电子是价电子，指形成共价键的电子，价带可能被电子填满，也可能不被电子填满。价带满带不导电，未填满的价带可以导电。导带上的电子具有更高的能量。价带电子获得足够能量，能够从价带跃迁到导带，导带上的电子可以自由移动。此时导带上出现了一个自由电子，相对应，价带上出现了一个空穴。在绝对零度时，电子完全填充价带，导带电子为零。
间接半导体材料Si,Ge中的电子在导带与价带之间的跃迁除了能量的跃变之外，还有动量的突变。不适合做半导体光源。目前使用的半导体激光材料都是直接半导体。
费米能级
能级是否被电子占据，遵守费米-狄拉克（Fermi-Dirac function）能量分布，能级E被电子占据的几率为
EF电子占据几率为1/2的能级。
EF之下的能级基本上被价电子占满；EF之上的能级基本上是空的。
能级E被空穴占据的几率为
半导体的费米能级的位置可以通过在材料中掺入杂质予以改变。
本征半导体的EF处于禁带正中，n型半导体的EF偏向导带，p型半导体的EF偏向价带。
加电后的半导体能级
半导体材料加电压后，能级倾斜，费米能级也倾斜。
Pn结
N型半导体有多余的电子，p型半导体有多余的空穴。两类半导体结合在一起后，由于电子空穴的浓度不同做扩散运动，在交接面附近复合，形成耗尽层。P区呈正电中心，n区呈负电中心。Pn结又称为空间电荷区。空间电荷的出现使得pn结内建立起了自建电场，形成由n型指向p型的内部电场。它将阻碍载流子的扩散运动。
P区能带相对于n区提高了eV能级，费米能级在各处水平一致，无载流子宏观流动。此时p区价带上有足够的空穴，但导带上电子数目极少；n区导带上有足够的电子，但价带上的空穴数目极少。Pn结内既缺少导带电子，价带上又没有空穴。
在pn结上加正向电压时，p正n负，外加电场与自建电场相反，形成有源层，发光二极管采用这种方式工作。
在pn结上加反向电压时，n正p负，势垒进一步提高，反向电流很小，pn结内价电子可能被激发到导带，载流子增加，光电二极管采用这种方式工作。
LED
在pn结上加正向电压时，使势垒降低，平衡被打破，扩散运动处于优势，耗尽层增大。此时费米能级不再一致，其差值由外加电压决定。
此时pn结的导带上有了较多的电子，同时价带上又出现了较多的空穴，于是在结区形成粒子数反转状态，形成有源层。在有源层内，电子空穴复合同时发射光子。这一过程又称为场致发光。
LED结构：并不是到达空气界面的光都会输出。由于全反射效应，只有小于全反射角的光才可出射。对于GaAs-空气界面，计算全反射角。
~16°。大部分光被全反射。可将光输出端面做成球形，可以大大减小TIR。 LED 特性：
由于能级有一定的宽度，辐射光子的能量并不等于Eg。电子在导带上的分布并不对称，价带上的空穴分布也不对称，导致出射光谱不对称。
中心波长和线宽取决于导带价带中电子空穴的能量分布。
LED输出光谱不仅取决于半导体材料，还取决于pn结，如掺杂浓度。
LED的开关电压取决于半导体材料，且随着Eg的增加而增加。如蓝光：3.5-4.5V 黄光：2V 红外（GaAs）：1V.
LED 应用（通信中）
两种LED: Surface Emitting 更易耦合 （直接，球镜）
; Edge Emitting （半球镜，GRIN graded index rod lens）
ELED 的线宽比SLED 窄
形成激光条件：
粒子数反转+光学谐振腔可以产生连续相干光辐射。
通常晶体通过解理或光学打磨形成反射（谐振腔）
能够在谐振腔中形成振荡的波长为 决定。每一个振荡频率可以称为激光的一个模式。
输出特性：
介质的光增益可由Cb中的电子，VB中的空穴的能量分布决定
只有当增益大于损耗时，激光输出，存在阈值电流Ith
小于阈值，自发辐射，类似LED
大于阈值，受激辐射，激光，且随电流急剧增加。
LD 中模式数目及相对大小取决于 电流大小，低功率输出为多模，高功率输出时变为单模。
激光特性
单色性差—多模
远场特性差—大发散角，垂直方向发散角40°，水平方向发散角10-20° 输出功率小—毫瓦量级
热稳定性差—要附带制冷器及温度稳定电路
对于单模激光器出现跳模现象
L决定了纵模。W,H决定了横模
要得到单模输出，有很多种方法，其中一种就是使用波长选择性的反射镜。
DBR (Distributed Bragg reflector) laser/ DFB (distributed feedback)
量子井激光器
VCSEL
调Q激光器
品质因子Q
激光器的损耗可用品质因子Q值描绘，Q值定义为
这一定义是由电子学中推广而来的，它同样适用于LC振荡回路和微波谐振腔，只是激光谐振腔中传播的光周期要短很多。
品质因数是激光谐振腔的性能指标，与腔内介质的增益系数没有关系。 品质因子与谐振腔单程总损耗的关系为
谐振腔的损耗大，Q值低；损耗小，Q值高。
调Q原理：采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低Q值状态，此时激光阈值很高，粒子密度反转数即使积累到很高水平也不会产生振荡；当粒子密度反转数达到其峰值时，突然使腔的Q值增大，导致激光介质的增益远远超过阈值，及其快速的产生振荡。这时，储存在亚稳态上的粒子所具有的能量会很快转换为光子的能量，光子象雪崩一样以极高速率增长，激光器便可输出一个峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。用调节谐振腔Q值以获得激光据脉冲的技术称为激光调Q技术。
谐振腔的损耗包括反射损耗（转镜调Q）,吸收损耗（染料调Q）,衍射损耗（声光调Q）,偏振损耗（电光调Q）
调Q技术可以压缩激光脉冲宽度，得到脉冲为毫微秒量级，峰值功率为千兆瓦量级的激光巨脉冲。
锁模
锁模是进一步对激光进行特殊的调制，强迫激光器中振荡的各个纵模的相位固定，使各模式相干叠加以得到超短脉冲的技术。
对于非均匀展宽激光器，总是产生多纵模输出，不过各个振荡模的相位是互相独立的。激光器输出的总场为所有激射模光场的叠加。由于激光模式的相位是独立的，参加叠加的模式数又较多，激光器输出强度随时间随机起伏。锁模技术使谐振腔中可能存在的各个纵模同步振荡，让各个振荡模的频率间隔保持相等并使它们的初相位保持为常数，使激光器输出在时间上有规律的等间隔的短脉冲
主动锁模：在谐振腔内插入调制器，对激光输出进行幅度或相位调制，实现各个纵模的同步
被动锁模：在谐振腔内插入饱和吸收体。饱和吸收体的吸收系数是随光强的增强而下降的。
2009-11-17
半导体激光器 调Q 锁模
能带
在半导体晶体中，大量原子有序排列，原子能级分离，形成能带。低能级称为价带（Valence Band VB），高能级称为导带(Conduction band CB)。价带和导带之间不存在能级，称为禁带。其间隔称为禁带间隔Eg。价带上的电子是价电子，指形成共价键的电子，价带可能被电子填满，也可能不被电子填满。价带满带不导电，未填满的价带可以导电。导带上的电子具有更高的能量。价带电子获得足够能量，能够从价带跃迁到导带，导带上的电子可以自由移动。此时导带上出现了一个自由电子，相对应，价带上出现了一个空穴。在绝对零度时，电子完全填充价带，导带电子为零。
间接半导体材料Si,Ge中的电子在导带与价带之间的跃迁除了能量的跃变之外，还有动量的突变。不适合做半导体光源。目前使用的半导体激光材料都是直接半导体。
费米能级
能级是否被电子占据，遵守费米-狄拉克（Fermi-Dirac function）能量分布，能级E被电子占据的几率为
EF电子占据几率为1/2的能级。
EF之下的能级基本上被价电子占满；EF之上的能级基本上是空的。
能级E被空穴占据的几率为
半导体的费米能级的位置可以通过在材料中掺入杂质予以改变。
本征半导体的EF处于禁带正中，n型半导体的EF偏向导带，p型半导体的EF偏向价带。
加电后的半导体能级
半导体材料加电压后，能级倾斜，费米能级也倾斜。
Pn结
N型半导体有多余的电子，p型半导体有多余的空穴。两类半导体结合在一起后，由于电子空穴的浓度不同做扩散运动，在交接面附近复合，形成耗尽层。P区呈正电中心，n区呈负电中心。Pn结又称为空间电荷区。空间电荷的出现使得pn结内建立起了自建电场，形成由n型指向p型的内部电场。它将阻碍载流子的扩散运动。
P区能带相对于n区提高了eV能级，费米能级在各处水平一致，无载流子宏观流动。此时p区价带上有足够的空穴，但导带上电子数目极少；n区导带上有足够的电子，但价带上的空穴数目极少。Pn结内既缺少导带电子，价带上又没有空穴。
在pn结上加正向电压时，p正n负，外加电场与自建电场相反，形成有源层，发光二极管采用这种方式工作。
在pn结上加反向电压时，n正p负，势垒进一步提高，反向电流很小，pn结内价电子可能被激发到导带，载流子增加，光电二极管采用这种方式工作。
LED
在pn结上加正向电压时，使势垒降低，平衡被打破，扩散运动处于优势，耗尽层增大。此时费米能级不再一致，其差值由外加电压决定。
此时pn结的导带上有了较多的电子，同时价带上又出现了较多的空穴，于是在结区形成粒子数反转状态，形成有源层。在有源层内，电子空穴复合同时发射光子。这一过程又称为场致发光。
LED结构：并不是到达空气界面的光都会输出。由于全反射效应，只有小于全反射角的光才可出射。对于GaAs-空气界面，计算全反射角。
~16°。大部分光被全反射。可将光输出端面做成球形，可以大大减小TIR。 LED 特性：
由于能级有一定的宽度，辐射光子的能量并不等于Eg。电子在导带上的分布并不对称，价带上的空穴分布也不对称，导致出射光谱不对称。
中心波长和线宽取决于导带价带中电子空穴的能量分布。
LED输出光谱不仅取决于半导体材料，还取决于pn结，如掺杂浓度。
LED的开关电压取决于半导体材料，且随着Eg的增加而增加。如蓝光：3.5-4.5V 黄光：2V 红外（GaAs）：1V.
LED 应用（通信中）
两种LED: Surface Emitting 更易耦合 （直接，球镜）
; Edge Emitting （半球镜，GRIN graded index rod lens）
ELED 的线宽比SLED 窄
形成激光条件：
粒子数反转+光学谐振腔可以产生连续相干光辐射。
通常晶体通过解理或光学打磨形成反射（谐振腔）
能够在谐振腔中形成振荡的波长为 决定。每一个振荡频率可以称为激光的一个模式。
输出特性：
介质的光增益可由Cb中的电子，VB中的空穴的能量分布决定
只有当增益大于损耗时，激光输出，存在阈值电流Ith
小于阈值，自发辐射，类似LED
大于阈值，受激辐射，激光，且随电流急剧增加。
LD 中模式数目及相对大小取决于 电流大小，低功率输出为多模，高功率输出时变为单模。
激光特性
单色性差—多模
远场特性差—大发散角，垂直方向发散角40°，水平方向发散角10-20° 输出功率小—毫瓦量级
热稳定性差—要附带制冷器及温度稳定电路
对于单模激光器出现跳模现象
L决定了纵模。W,H决定了横模
要得到单模输出，有很多种方法，其中一种就是使用波长选择性的反射镜。
DBR (Distributed Bragg reflector) laser/ DFB (distributed feedback)
量子井激光器
VCSEL
调Q激光器
品质因子Q
激光器的损耗可用品质因子Q值描绘，Q值定义为
这一定义是由电子学中推广而来的，它同样适用于LC振荡回路和微波谐振腔，只是激光谐振腔中传播的光周期要短很多。
品质因数是激光谐振腔的性能指标，与腔内介质的增益系数没有关系。 品质因子与谐振腔单程总损耗的关系为
谐振腔的损耗大，Q值低；损耗小，Q值高。
调Q原理：采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低Q值状态，此时激光阈值很高，粒子密度反转数即使积累到很高水平也不会产生振荡；当粒子密度反转数达到其峰值时，突然使腔的Q值增大，导致激光介质的增益远远超过阈值，及其快速的产生振荡。这时，储存在亚稳态上的粒子所具有的能量会很快转换为光子的能量，光子象雪崩一样以极高速率增长，激光器便可输出一个峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。用调节谐振腔Q值以获得激光据脉冲的技术称为激光调Q技术。
谐振腔的损耗包括反射损耗（转镜调Q）,吸收损耗（染料调Q）,衍射损耗（声光调Q）,偏振损耗（电光调Q）
调Q技术可以压缩激光脉冲宽度，得到脉冲为毫微秒量级，峰值功率为千兆瓦量级的激光巨脉冲。
锁模
锁模是进一步对激光进行特殊的调制，强迫激光器中振荡的各个纵模的相位固定，使各模式相干叠加以得到超短脉冲的技术。
对于非均匀展宽激光器，总是产生多纵模输出，不过各个振荡模的相位是互相独立的。激光器输出的总场为所有激射模光场的叠加。由于激光模式的相位是独立的，参加叠加的模式数又较多，激光器输出强度随时间随机起伏。锁模技术使谐振腔中可能存在的各个纵模同步振荡，让各个振荡模的频率间隔保持相等并使它们的初相位保持为常数，使激光器输出在时间上有规律的等间隔的短脉冲
主动锁模：在谐振腔内插入调制器，对激光输出进行幅度或相位调制，实现各个纵模的同步
被动锁模：在谐振腔内插入饱和吸收体。饱和吸收体的吸收系数是随光强的增强而下降的。