半導(dǎo)體激光二極管
為了使紫外線輻射源更為實用化,半導(dǎo)體紫外二極管發(fā)展的一個方向是大幅縮小現(xiàn)有紫外激光器及其電源的體積和功耗,另一個方向是開發(fā)發(fā)射波長為280nm、功耗小于10mW的發(fā)光二極管以及發(fā)射波長為340nm、功耗小于25mW的激光二極管。
半導(dǎo)體激光二極管以其體積小,重量輕,價格低,壽命長,耗電少及頻率可快速調(diào)諧等優(yōu)點,已經(jīng)在國民經(jīng)濟(jì)和一系列高科技領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。然而,此種激光器的工作波長與其工作溫度、注入電流之間有著強(qiáng)烈的依賴關(guān)系,例如,對近紅外線半導(dǎo)體激光二極管,工作溫度引起的變化約為013nm/K,注入電流引起的變化約為0103nm/mA。同時,工作溫度和注入電流的變化還會導(dǎo)致半導(dǎo)體激光二極管輸出功率的不穩(wěn)定。
對于某些高科技領(lǐng)域應(yīng)用,例如近些年發(fā)展起來的相干光纖通訊,對作為發(fā)送光源和外差檢測的本振光源所用的半導(dǎo)體激光器的頻率穩(wěn)定性有很高的要求,同時,還要求其輸出頻率可調(diào)。又如,在極受重視的激光探潛和大量的激光光譜和原子分子物理研究中,都要求半導(dǎo)體激光器的頻率非常穩(wěn)定。因此,對半導(dǎo)體激光二極管的注入電流和工作溫度的精密控制,并在此基礎(chǔ)上對激光器的輸出頻率進(jìn)行鎖定穩(wěn)頻的技術(shù)研究就成為非常必要的。
(1)波長:即激光管工作波長,目前可作方向張開的角度,一般在15~40左右。(5)水平發(fā)散角Θ∥:激光的發(fā)光帶在與PN結(jié)平行方向所張開的角度,一般在6~10左右。(6)監(jiān)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。
半導(dǎo)體激光二極管的檢測
(1)阻值測量法:拆下激光二極管,用萬用表R×1k或R×10k檔測量其正、反向電阻值。正常時,正向電阻值為20~40kΩ之間,反向電阻值為∞(無窮大)。若測得正向電阻值已超過50kΩ,則說明激光二極管的性能已下降。若測得的正向電阻值大于90kΩ,則說明該二極管已嚴(yán)重老化,不能再使用了。
(2)電流測量法:用萬用表測量激光二極管驅(qū)動電路中負(fù)載電阻兩端的電壓降,再根據(jù)歐姆定律估算出流過該管的電流值,當(dāng)電流超過100mA時,若調(diào)節(jié)激光功率電位器,而電流無明顯的變化,則可判斷激光二極管嚴(yán)重老化。若電流劇增而失控,則說明激光二極管的光學(xué)諧振腔已損壞。
半導(dǎo)體激光二極管的原理
為了了解激光型光電的工作原理,首先對半導(dǎo)體激光二極管的工作原理及其特點作一簡單的介紹。半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,垂直于PN結(jié)面的一對平行平面構(gòu)成法布里——珀羅諧振腔,它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面,也可以是經(jīng)過拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對粗糙,用以消除主方向外其它方向的激光作用。半導(dǎo)體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復(fù)合。當(dāng)半導(dǎo)體的PN結(jié)加有正向電壓時,會削弱PN結(jié)勢壘,迫使電子從N區(qū)經(jīng)PN結(jié)注入P區(qū),空穴從P區(qū)經(jīng)過PN結(jié)注入N區(qū),這些注入PN結(jié)附近的非平衡電子和空穴將會發(fā)生復(fù)合,從而發(fā)射出波長為Λ的光子,其公式如下:Λ = Hc/Eg (1)式中:H-普朗克常數(shù);C-光速; Eg-半導(dǎo)體的禁帶寬度。上述由于電子與空穴的自發(fā)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過半導(dǎo)體時,一旦經(jīng)過已發(fā)射的電子-空穴對附近,就能激勵二者復(fù)合,產(chǎn)生新光子,這種光子誘使已激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大,則會形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布,即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下,少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射,造成選頻諧振正反饋,或者說對某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時,就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光——激光,這就是激光二極管的簡單原理。
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