激光的形成

激光的形成 意思是“受激辐射的光放大”。 什么叫做“受激辐射”,它基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到(跃迁)到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。激光主要有四大特性:激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。 激光英文名是 Laser，即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation。这里就包含了激光形成的两个最重要的信息: 1 Amplification，放大 2 stimulated emission of radiation 受激辐射 首先要知道，原子内的电子是处在某些特定的能量状态的，当电子从高能量状态跃迁到低能量状态是就会辐射出一定频率的光子(频率与能量状态的差值有关)，如果能量差是固定的，那么光的频率也是固定的。电子除了自发地从高能态跃迁到低能态之外，还存在一种受激辐射。也就是处在高能的电子受到射入光子的作用，回到低能态，再释放一个光子(这样加上原来的就有两个)。这就是激光的基本发生原理。 激光发生要有一种外在的能源(可以是光、电、化学能等)使得激光物质(如红宝石等)中的电子不断跃迁到高能态。这时有些电子会自发地从高能态降落到低能态，并释放光子，这些最初的光子就开始激发其它高能态的电子返回低能态，释放更多同频率，同相位的光子。整个过程就像雪崩，会有越来越多的光子释放出来，这就是放大。 为了让放大能够不断进行。激光管两端有两块平行玻璃片。一片全反，一片部分透光。它的作用有是部分发射激光，同时令其余的光子继续留在管内(学名共振腔)引发受激辐射，保证激光源源不断产生。它的另一个作用是，若光子不沿平行玻璃的轴线，那么它们将会很快溢出共振腔，也就意味着，只有沿轴向的光子能够被选择性地放大，这保证了激光的定向性。 同时前面也提到，受激辐射出的光子与入射光子有相同相位，这样也使得激光有很好的相干性。 而固定的能级差也保证了激光良好的单色性。 半导体激光器的结构与工作原理 现以砷化镓(GaAs)激光器为例，介绍注入式同质结激光器的工作原理。 1(注入式同质结激光器的振荡原理。由于半导体材料本身具有特殊晶体结构和电子结构，故形成激光的机理有其特殊性。 (1)半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带(对应较低能量)。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。 (2)掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。 有施主能级的半导体称为n型半导体;有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电;p型半导体主要由价带中的空穴导电。 半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为(2,5)×1018cm-1;p型为(1,3)×1019cm-1。 在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。 (3)p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。 要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大(如30000A/cm2)。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价 带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。 2(半导体激光器结构。其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。 半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面(110面)构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95,以上的反射率。 一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合 意思是“受激辐射的光放大”。 什么叫做“受激辐射”,它基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到(跃迁)到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。激光主要有四大特性:激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。 激光英文名是 Laser，即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation。这里就包含了激光形成的两个最重要的信息: 1 Amplification，放大 2 stimulated emission of radiation 受激辐射 首先要知道，原子内的电子是处在某些特定的能量状态的，当电子从高能量状态跃迁到低能量状态是就会辐射出一定频率的光子(频率与能量状态的差值有关)，如果能量差是固定的，那么光的频率也是固定的。电子除了自发地从高能态跃迁到低能态之外，还存在一种受激辐射。也就是处在高能的电子受到射入光子的作用，回到低能态，再释放一个光子(这样加上原来的就有两个)。这就是激光的基本发生原理。 激光发生要有一种外在的能源(可以是光、电、化学能等)使得激光物质(如红宝石等)中的电子不断跃迁到高能态。这时有些电子会自发地从高能态降落到低能态，并释放光子，这些最初的光子就开始激发其它高能态的电子返回低能态，释放更多同频率，同相位的光子。整个过程就像雪崩，会有越来越多的光子释放出来，这就是放大。 为了让放大能够不断进行。激光管两端有两块平行玻璃片。一片全反，一片部分透光。它的作用有是部分发射激光，同时令其余的光子继续留在管内(学名共振腔)引发受激辐射，保证激光源源不断产生。它的另一个作用是，若光子不沿平行玻璃的轴线，那么它们将会很快溢出共振腔，也就意味着，只有沿轴向的光子能够被选择性地放大，这保证了激光的定向性。 同时前面也提到，受激辐射出的光子与入射光子有相同相位，这样也使得激光有很好的相干性。 而固定的能级差也保证了激光良好的单色性