光源與光檢測(cè)器ppt課件(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 時(shí) ， 才有激光輸出 。 目前的激光器 Ith 一般為十幾個(gè) mA， 最大輸出功率可大于 2mw。 PI特性也稱出光特性 。 P P I th I I th I （ a ）理想曲線 （ b ）實(shí)際曲線 I ：注入電流 P ：發(fā)對(duì)光功率 PI 特性 ?外微分量的效率 （ η d） （ 內(nèi)量子效率 ， 外量子效率 ， 外微分量子效率 ） 定義 ——在閥值點(diǎn)以上 ， 單位時(shí)間發(fā)射的光子數(shù)變化量與注入的電子 ——空穴對(duì)數(shù)變化量之比 。 oththd eIIhfpp/)(/)(????第 45 頁(yè) X ?溫度特性 半導(dǎo)體激光器的二項(xiàng)重要參數(shù)對(duì)溫度敏感 ， 特別是 Ith 。 (1)外微分量子效率 η d T↑ ， η d↓ GaAlAsLD 絕對(duì)溫度 77(196oc) η d = 300(+270) η d = (2)閥值電流 Ith T↑ ， Ith↑ （ 按指數(shù)規(guī)律 ） Θ ：絕對(duì)溫度 ， θ 0 ：特征溫度 ， I0：常數(shù) LD 注入電功率 光功率 結(jié)區(qū)熱能 ——結(jié)溫 ↑ 影響 Ith ↑ 、 η d↓ )/ex p ( 0???? oth II第 47 頁(yè) X P（ mw） 200C 400C 500C Ith 50 100 I（ mA） LD的溫度特性示意圖 第 48 頁(yè) X ?伏安特性 P V LD伏安特性 半導(dǎo)體激光的伏安特性與一般二極管相似 ，但它有一個(gè)導(dǎo)通電壓 （ 1V左右 ） 。 實(shí)用中要求激光器在閥值附近的正向電壓小于 2V， 串聯(lián)電阻可小于 5， 則可確保激光器安全使用和良好的輸出特性 。 第 49 頁(yè) X ?光譜特性 中心波長(zhǎng) ——光譜范圍內(nèi)輻射強(qiáng)度最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) 。 譜線寬度 ——光譜范圍內(nèi)輻射強(qiáng)度最大值下降 50%處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的寬度 。 ?? λc λ 光譜特性示意 第 50 頁(yè) X ?壽命 GaAlAsLD 數(shù)百萬(wàn)小時(shí) InGaAsPLD 數(shù)十萬(wàn)小時(shí) 第 51 頁(yè) X 二． 模式性質(zhì) 模式指電磁場(chǎng)的分布形式 。 一種分布對(duì)應(yīng)于一種模式 。 半導(dǎo)體激光器的模式分成縱模和橫模 。 第 52 頁(yè) X 模式性質(zhì) ?縱橫一沿軸向的分布狀態(tài) （ 垂直于 PN結(jié) ） 由半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)可知 ， 它是由一個(gè)諧振腔組成 （ 中間為激光物質(zhì) ） 。 激光物質(zhì) 駐波 諧振腔 腔長(zhǎng)為 L， 激光光波要形成一個(gè)穩(wěn)定的振蕩 ， 必須要滿足閥值條件和相位條件 ， 相位條件 就是滿足駐波振蕩 ， 使腔長(zhǎng)正好是半波長(zhǎng)的整數(shù)倍 ， 即 k=1,2,3…… .. ——激光特質(zhì)內(nèi)的光譜波長(zhǎng) 若 C‘為物質(zhì)的光速 ， C為真空中的光速 ， n為物質(zhì)的折射率 ， f為光波頻率 ， 則有 : （ K=1， 2， …… .） 即 L定 ——f定 ， 其余頻率的光波不行 —— 頻率選擇的作用 。 2??? kl??nlcklckcf22 ???????第 54 頁(yè) X 輸出光譜與相位有關(guān)，也取決于激光物質(zhì)的發(fā)光光譜： (a) (b) (c) 理想 (d) 實(shí)際 激光光譜圖 第 55 頁(yè) X （ a） 相位條件決定了一群等間隔的縱模諧振頻率 （ b） 激光物質(zhì)的發(fā)光光譜決定了該激光器可能發(fā)出的光譜范圍 （ c） 真正激光器的輸出由兩個(gè)因素共同決定 ， 所以只有落在激光物質(zhì)范圍內(nèi)并滿足相位條件的那些頻率才有可能形成激光 。 如果得出的激光光譜內(nèi)含有多個(gè)模式 ， 則稱該激光器為 多模激光器 。 若只含 1個(gè)模式 ， 則稱為單模激光器 ， 實(shí)際的輸出是具有一定寬度的模式 。 第 56 頁(yè) X ?橫模 —— 沿橫向的分布狀態(tài) （ 平行于 PN結(jié) ） 激光器的橫模表示諧振腔中垂直于腔方向上的光場(chǎng)分布 ， 它決定了激光束的空間分布 ， 直接影響到器件和光纖的耦合效率 。 條形 LD， 有源區(qū)構(gòu)成一個(gè)非均勻的光波導(dǎo)（ 介電常數(shù)隨位置而變化 ） 描寫波動(dòng)方程 第 57 頁(yè) X 三．瞬態(tài)性質(zhì) ? 電光延時(shí)現(xiàn)象和張馳振蕩現(xiàn)象 下圖常見(jiàn)的激光器的響應(yīng)波形 。 電脈沖 光脈沖 光電瞬態(tài)響應(yīng)波形 第 58 頁(yè) X 電光延遲時(shí)間 ：當(dāng)電流脈沖注入激光器時(shí) ， 激光輸出 與注入電脈沖之間存在一個(gè)時(shí)間延遲 。 張馳振蕩現(xiàn)象 ：激射后 ， 輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式的振蕩 。 電光延遲時(shí)間一般為 ns的量級(jí) ， 張馳振蕩的頻率一般為幾百 mHz在 ~2GHz的量級(jí) 。 第 59 頁(yè) X 電光延遲和張馳振蕩是激光器內(nèi)部電光相互作用就表現(xiàn)出來(lái)的固有特性 ， 當(dāng)電流脈沖注入時(shí) ， 對(duì)導(dǎo)帶低部的能級(jí)進(jìn)行電子填充 ， 便有源區(qū)里電子密度增加 ， 當(dāng)電子密度增加到閥值時(shí) ， 激光器開(kāi)始激射 ， 便光子密度迅速增加而電子密度卻減少 ， 電子密度的減少又會(huì)影響受激輻射的速度 ， 上述的瞬態(tài)現(xiàn)象 ， 就是電和光相互作用的結(jié)果 。 下圖所示的瞬態(tài)過(guò)程可以進(jìn)一步說(shuō)明電光延遲和張馳振蕩發(fā)生的原因 。 I(注入電流 ） t （ a） n（ 電子密度 ） nth t （ b） s（ 光子密度 ） s 0 td t1 t2 t3 t（ c） 激光器瞬態(tài)過(guò)程 第 61 頁(yè) X （ a） 0~ td ， 有 I， n↑ ， 無(wú) S， 當(dāng) t= td時(shí) ， n= nth ， 有光 。 ↓ 當(dāng)階躍電流 I（ I 〉 Ith） 注入激光器時(shí) ， 有源區(qū)自由電子密度 n↑ ， 開(kāi)始了有源區(qū)里導(dǎo)帶電子的填充 ， 由于有源區(qū)電子密度 n的增加與時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系 ， 而當(dāng) n小于閥值電子密度 nth 時(shí) ， 激光器并不激射 ， 從而使輸出光功率存在一段初始的延遲時(shí)間 ， 電光延遲時(shí)間用 td 表示 。 瞬態(tài)性質(zhì) 第 62 頁(yè) X 瞬態(tài)性質(zhì) （ b） td ~ t1 ， n↑ ， s↑ ， t= t1時(shí) ， nmax 。 s有源區(qū)里的電子密度達(dá)到閥值以后 ， 激光器開(kāi)始激射 ， 但是光子密度的增加也有一個(gè)時(shí)間過(guò)程 ， 只要光子密度還沒(méi)有達(dá)到它的穩(wěn)態(tài)值 ，電子密度將繼續(xù)增加 ， 造成導(dǎo)帶中電子的超量填充 ， 當(dāng) t= t1時(shí) ， 光子密度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值 s， 電子密度達(dá)到最大值 。 第 63 頁(yè) X 瞬態(tài)性質(zhì) （ c） t1~ t2， n↓ ， s↑ ， 在 t= t2， n= nth ， smax。 由于導(dǎo)帶中有超量存儲(chǔ)的電子 ， 有源區(qū)里的光場(chǎng)也已經(jīng)建立起來(lái) ， 結(jié)果使受激過(guò)程迅速增加 ， 光子密度迅速上升 ， 同時(shí)使電子密度開(kāi)始下降 ， 當(dāng) t=t2時(shí) ， 光子密度達(dá)到峰值 ， 而電子密度下降到閥值的濃度 。 第 64 頁(yè) X 瞬態(tài)性質(zhì) （ d） t2~ t3， n↓ ， s↑ ， 在 t= t3 ， n= nmin，