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半导体激光器的发光原理
点击次数：165 时间：2025-01-10
半导体激光器（SemiconductorLaser,或称为激光二极管，LaserDiode,LD）的发光原理基于半导体材料的受激辐射（StimulatedEmission）现象，类似于其他类型的激光器，如固体激光器或气体激光器。其工作原理可以分为以下几个关键步骤：
1.半导体材料的能带结构
半导体材料具有能带结构，包括价带和导带。电子在价带上，当吸收足够的能量时，电子会跃迁到导带，这种现象称为电子激发。这种激发可以通过外加电流、光或热来实现。
2.注入电流和载流子复合
在半导体激光器中，首先通过电流注入（一般是通过电极）将电子和空穴（正电荷载流子）注入到半导体的活性区（通常是p-n结处）。这些电子和空穴在活性区内会发生复合，即电子和空穴相遇并结合，释放出能量，形成光子。
3.光的受激辐射
当一个电子从导带跃迁回到价带时，它会释放出一个光子。这个过程叫做自发辐射，但在半导体激光器中，最重要的是受激辐射。受激辐射的原理是，当一个光子与一个处于激发态的电子碰撞时，激发态电子会跃迁到较低能级，并发射出与入射光子相同频率、方向、相位和偏振的光子。
这个过程是光放大的基础，在半导体激光器中，反复发生光子的受激辐射过程，最终形成激光输出。
4.激光器腔和光反馈
为了让光子在半导体激光器中进行多次受激辐射，必须有一个光学腔来提供光反馈。这个腔通常由两个镜面组成，一个镜面是反射镜，另一个是部分透光镜。光子在这两个镜面之间往返传播，并逐渐增强，最终从部分透光镜处输出。
5.激光的产生
当反向电流使得活性区的载流子密度足够大时，发生的受激辐射就会超过自发辐射，光子会形成一个强烈的相干光束，从激光器的输出端发射出来。这时，光波的方向性强、相位一致、频率稳定，从而形成了激光。
6.温度与激光效率
半导体激光器的性能受温度影响较大。温度升高时，载流子的复合效率降低，光子发射的效率下降。因此，半导体激光器通常需要通过热管理系统来保持工作温度，确保激光输出的稳定性。
总结
半导体激光器通过电流注入激发电子和空穴在半导体材料中复合，产生光子。光子与其他电子发生受激辐射，形成光波。反射镜提供光反馈，最终实现激光输出。由于其体积小、效率高，半导体激光器广泛应用于通信、激光打印、激光扫描、医疗和光盘存储等领域。
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