一、激光的產(chan) 生機理

在講激光產(chan) 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(yu) 高能態的粒子在外來光的激發下向低能態躍遷，稱之為(wei) 自發輻射;

二是處於(yu) 高能態的粒子在外來光的激發下向低能態躍遷，稱之為(wei) 受激輻射;

三是處於(yu) 低能態的粒子吸收外來光的能量向高能態躍遷稱之為(wei) 受激吸收。

自發輻射，即使是兩(liang) 個(ge) 同時從(cong) 某一高能態向低能態躍遷的粒子，它們(men) 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(yu) 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(yu) 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、偏振狀態等方麵完全一樣。任何的受激發光係統，即有受激輻射，也有受激吸收，隻有受激輻射占優(you) 勢，才能把外來光放大而發出激光。而一般光源中都是受激吸收占優(you) 勢，隻有粒子的平衡態被打破，使高能態的粒子數大於(yu) 低能態的粒子數(這樣情況稱為(wei) 離子數反轉)，才能發出激光。

產(chan) 生激光的三個(ge) 條件是：實現粒子數反轉、滿足閾值條件和諧振條件。產(chan) 生光的受激發射的首要條件是粒子數反轉，在半導體(ti) 中就是要把價(jia) 帶內(nei) 的電子抽運到導帶。為(wei) 了獲得離子數反轉，通常采用重摻雜的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(jia) 帶中貯存著空穴。實現粒子數反轉是產(chan) 生激光的必要條件，但不是充分條件。要產(chan) 生激光，還要有損耗極小的諧振腔，諧振腔的主要部分是兩(liang) 個(ge) 互相平行的反射鏡，激活物質所發出的受激輻射光在兩(liang) 個(ge) 反射鏡之間來回反射，不斷引起新的受激輻射，使其不斷被放大。隻有受激輻射放大的增益大於(yu) 激光器內(nei) 的各種損耗，即滿足一定的閾值條件:

P1P2exp(2G - 2A) ≥ 1

(P1、P2是兩(liang) 個(ge) 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(wei) 常數)，才能輸出穩定的激光，另一方麵，激光在諧振腔內(nei) 來回反射，隻有這些光束兩(liang) 兩(liang) 之間在輸出端的相位差Δф =2qπ q=1、2、3、4。。。。時，才能在輸出端產(chan) 生加強幹涉，輸出穩定激光。設諧振腔的長度為(wei) L，激活介質的折射率為(wei) N，則

Δф=(2π/λ)2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，

上式可化為(wei) f=qc/2NL該式稱為(wei) 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、激光二極管本質上是一個(ge) 半導體(ti) 二極管，按照PN結材料是否相同，可以把激光二極管分為(wei) 同質結、單異質結(SH)、雙異質結(DH)和量子阱(QW)激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(you) 點，是目前市場應用的主流產(chan) 品。同激光器相比，激光二極管具有效率高、體(ti) 積小、壽命長的優(you) 點，但其輸出功率小(一般小於(yu) 2mW)，線性差、單色性不太好，使其在有線電視係統中的應用受到很大限製，不能傳(chuan) 輸多頻道，高性能模擬信號。在雙向光接收機的回傳(chuan) 模塊中，上行發射一般都采用量子阱激光二極管作為(wei) 光源。

半導體(ti) 激光二極管的基本結構如圖所示，垂直於(yu) PN結麵的一對平行平麵構成法布裏——珀羅諧振腔，它們(men) 可以是半導體(ti) 晶體(ti) 的解理麵，也可以是經過拋光的平麵。其餘(yu) 兩(liang) 側(ce) 麵則相對粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。

半導體(ti) 中的光發射通常起因於(yu) 載流子的複合。當半導體(ti) 的PN結加有正向電壓時，會(hui) 削弱PN結勢壘，迫使電子從(cong) N區經PN結注入P區，空穴從(cong) 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(hui) 發生複合，從(cong) 而發射出波長為(wei) 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(ti) 的禁帶寬度。

上述由於(yu) 電子與(yu) 空穴的自發複合而發光的現象稱為(wei) 自發輻射。當自發輻射所產(chan) 生的光子通過半導體(ti) 時，一旦經過已發射的電子—空穴對附近，就能激勵二者複合，產(chan) 生新光子，這種光子誘使已激發的載流子複合而發出新光子現象稱為(wei) 受激輻射。如果注入電流足夠大，則會(hui) 形成和熱平衡狀態相反的載流子分布，即粒子數反轉。當有源層內(nei) 的載流子在大量反轉情況下，少量自發輻射產(chan) 生的光子由於(yu) 諧振腔兩(liang) 端麵往複反射而產(chan) 生感應輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對某一頻率具有增益。當增益大於(yu) 吸收損耗時，就可從(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(ti) 激光二極管具有複雜的多層結構。

常用的激光二極管有兩(liang) 種:①PIN光電二極管。它在收到光功率產(chan) 生光電流時，會(hui) 帶來量子噪聲。②雪崩光電二極管。它能夠提供內(nei) 部放大,比PIN光電二極管的傳(chuan) 輸距離遠，但量子噪聲更大。為(wei) 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(ti) 激光二極管的工作原理，理論上與(yu) 氣體(ti) 激光器相同。

激光二極管本質上是一個(ge) 半導體(ti) 二極管，按照PN結材料是否相同，可以把激光二極管分為(wei) 同質結、單異質結(SH)、雙異質結(DH)和量子阱(QW)激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(you) 點，是目前市場應用的主流產(chan) 品。同激光器相比，激光二極管具有效率高、體(ti) 積小、壽命長的優(you) 點，但其輸出功率小(一般小於(yu) 2mW)，線性差、單色性不太好，使其在有線電視係統中的應用受到很大限製，不能傳(chuan) 輸多頻道，高性能模擬信號。在雙向光接收機的回傳(chuan) 模塊中，上行發射一般都采用量子阱激光二極管作為(wei) 光源。

半導體(ti) 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(guan) 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(chan) 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(yu) 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(yu) 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。