第四章 半导体激光器的能带 半导体及形成受激发射的条件 1. 在有 N 个粒子相互作用的晶体中，每个基态都会分裂成 N 个基态，因此彼此非常接近的 N 个基态似乎会产生一个连续的能带，称为能带，见图（5-23）。 固体能带2、纯（本征）半导体材料，如砷化镓、锗等，在绝对湿度为零的理想状态下，能带由充满电子的价带和完全没有电子的导带组成半导体激光器的优点，如图（5-24）所示。 本征半导体的能带 3、热平衡时，能带中电子的分布不再服从玻尔兹曼分布，而是服从费米分布。 基态E被电子抢占的概率是半导体的能带，也是受激辐射形成的条件。 1、费米基态在杂质半导体中的位置与杂质类型和掺杂含量密切相关。 为了说明这个问题，图（5-25）显示了温度极低时的情况。 2、半导体中形成光放大的条件是半导体中存在双简并能带，但入射光的频率满足费米基态位置与杂质类型和掺杂含量的关系。 PN结与粒子数反转 1、PN结的双简并能带结构使P型和N型半导体结合在一起。 结区是否有可能形成两个费米基态？ 当不施加电场时，P区和N区的费米基态必须达到相同的水平，如图（5-26）所示。 当PN结上施加正向电流V时，产生PN结区两个费米基态之和，称为准费米基态，如图（5-27）所示。
正向电流V产生的双简并能带结构 2.粒子数反转PN结及粒子粒子数反转形成受激辐射的条件是在结区的导带顶部和价带底部产生粒子数反转分布。 激光器处于连续发光的动态平衡状态。 导带底部电子的抢占概率就是价带顶部空穴的抢占概率。 P区的准费米基态可以用来估计价带顶部电子的抢占概率。 2、半导体激光器工作的阈值条件 激光形成激光的前提不仅是粒子数的反演，而且是阈值条件。 增益系数和粒子数反演之间的关系还取决于谐振器中的工作物质。 激光器的伏安特性 伏安特性：与三极管相同，也具有双向导电性，如图（5-29）所示。 阈值电压密度：影响阈值的因素有很多。 方向性：图（5-30）所示为半导体激光束的空间分布示意图。
激光束空间分布示意图 同质结和异质结半导体激光器 1、同质结钙钛矿（GaAs）激光器的特性 光谱特性：图（5-31）是GaAs激光器的发射光谱。 图(a)是高于阈值时的荧光光谱，光谱宽度通常为几百埃。 图(b)是注入电压达到或低于阈值时的激光光谱，光谱宽度为数十埃。 GaAs激光器的发射光谱 同质结和异质结半导体激光器 1.同质结钙钛矿（GaAs）激光器的特性 外微分量子效率：功率效率：功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率的比值 2.异质结半导体激光器 单异质结半导体激光器：单异质结元件结构如图（5-32） （b）双异质结半导体激光器：双异质结半导体激光器结构如图（5） -32）（c）。 同质结和异质结结构示意图 准分子激光器 1.准分子激光器的特点 准分子基态结构 准分子基态结构具有显着的特征。 如图（5-33）所示，A代表较高突发态，B代表激光器的上基态，C代表能级。 由于能级寿命很短，即使在超短脉冲的情况下，能级也可视为空，因此准分子系统非常有利于巨脉冲的形成。 激光下的基态是一个能级，基本没有辐射损失??。 量子效率很高，这是准分子激光器能够实现高效率的主要原因。
由于处于基态的离子在激光照射下会快速解离半导体激光器的优点，因此延长纳秒并在高重复率下工作并不存在困难。 由于准分子的荧光光谱是连续谱带，因此可以制成频率可调器件。 2、准分子激光器的泵浦形式 电子束泵浦： ①横向泵浦 ②纵向泵浦 ③同轴电子束泵浦 快速放电泵浦：快速放电泵浦方式多采用所谓布卢姆林电路自由电子激光器 1、自由电子激光器的工作物质是自由电子束。 2、自由电子激光的特点是将物理能直接转化为激光。 3、目前自由电子激光器还处于实验阶段，距离实际应用还有相当大的距离。 物理激光 1、物理激光是指基于物理反应构建粒子数反转形成受激发射的激光。 物理激光器的工作物质可以是二氧化碳，也可以是液体，但目前大多使用二氧化碳。 2、物理激光器具有以下三个特点：输出激光波长丰富。 高功率、高能量激光输出。
