1、1,激光原理和技术简介,2,一、光子的基本特性,爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克能量子假说，提出了光量子理论：光是一种以光速c运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足：,激光原理和技术简介,3,(4)、光子具有两种可能的独立偏振态，对应 于光波场的两个独立偏振方向；,(5)、光子具有自旋特性，并且自旋量子数为整数，是玻色子。（电子的自旋量子数 ，是费米子。）,4,(1) 自发辐射,光子能量：,自发跃迁概率：,单位时间、单位体积内，E2 上粒子的减少为：,处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，
2、并同时向外辐射出一个光子（自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射场的 无关） 。,二、 光辐射的量子理论基础,1、三种跃迁,5,受激吸收概率：,为爱因斯坦吸收系数, 只与粒子本身的性质有关。,为辐射场能量密度,为E1能级上的原子数密度,（2） 受激吸收,处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子， 跃迁到高能级态。,于是有：,为 自发辐射寿命。,6,(3) 受激辐射,受激辐射的概率：,称为爱因斯坦受激发射系数。,处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。,受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。,7,2、爱因斯坦关系
3、,设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并度为 （同一量子态占据的光子数目）, 在温度T下处于热平衡状态, 能级的原子占有数密度分别为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量 后,单位时间内从 跃迁到 能级的原子数为：,单位时间内，,的原子数为：,由于系统处于热平衡状态，则应有：,即：,8,所以有：,热平衡状态下， 按波尔兹曼分布：,即：,9,热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为：,比较两式有：,上述两式即著名的爱因斯坦关系式。,若两能级的简并度相同，则有：,10,结论：三个爱因斯坦系数是相互关联的。 对一定的原子体系而言，自发跃迁系数 A21 与受激辐射系数 B21 之比正比于 的三次方，因而
4、 两能级相差越大， 就越高，A，B的比值就越大，也就是 越高，自发辐射越容易，受激辐射越困难。一般在热平衡下，主要是自发辐射。,11,单位体积内粒子自发跃迁所辐射的功率为,以上推理都是认为能级是理想的无宽度的、从而粒子辐射是单色的，也就是能量集中在单一频率上。实际上，自发辐射并非单色的，而是分布在中心频率附近的一个有限范围内，这一现象称为光谱线展宽。,3、 光谱线展宽,12,考虑谱线展宽的情况，自发辐射的功率应是频率的函数，则总的自发辐射的功率为：,光谱线的线性函数：,其满足归一化条件：,13,（1）受激辐射下光谱线展宽的类型均匀展宽： 均匀展宽的特点是，引起展宽的机制对于每一粒子而言都是相同
5、的。任何一个粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，每一个发光粒子都以洛沦兹线型发射。主要有自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽。非均匀展宽： 非均匀展宽的特点是，粒子体系中粒子发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献。这种展宽主要有多普勒展宽与残余应力展宽。,14,（2）均匀展宽的分析自然展宽由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上的寿命有限形成的。,由傅立叶变换得其频谱分布为：,15,自发辐射的功率为：,总功率为：,所以：,当,有：,16,因此有：,得：,于是有：,也可写成：,17,碰撞展宽由于大气中大量粒子无规则运动碰撞产生的，包括两种情况：激发态的粒子与其他粒子发生非弹性碰撞将自己的能
6、量传递出去而回到基态或者是粒子发射的波列发生无规则的相位突变。,18,线宽为：,自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数合称为均匀展宽的线型函数，表示为：,19,热振动展宽由于晶格振动引起的，晶格原子的热震动使发光粒子处于随时间周期性变化的晶格场中，引起能级振动。这种展宽与温度有关，但其线型函数解析式很难求，只能由实验测出。,20,（3）非均匀展宽的分析 多普勒展宽由于气体物质中的粒子作热运动所产生的辐射的多普勒频移引起的。,考虑气体分子热运动的速率统计分布：,对于一维运动,21,于是有：,从而有,上式称为多普勒线型 函数，具有高斯函数 形式，相应的线宽为,22,当,时,（最大值）,也可表示为
7、：,多普勒展宽实际上是一种统计结果。,23,残余应力展宽 由固体激光物质内部残余应力引起的，其中一种是晶格缺陷所致，非均匀分布的缺陷引起不同位置的粒子 不同，物质本身原子的无规则排列也会引起。,24,三、激光的产生,1、普通光源的发光受激吸收和自发辐射 常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为108109秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为h=
8、E2-E1 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。,25,2、激光,激光英文单词为：Laser,它是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写,意思是受激辐射的光放大。,26,3、受激辐射和光的放大,受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量h正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子
9、可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1 跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大。这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。,27,必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）,4、激光产生的条件,28,5、粒子数反转,一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，
10、为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。,29,6、工作物质、亚稳态,前面分析了产生激光的必要条件是受激辐射，而粒子数反转又是产生激光的一个条件，激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在对实现粒子数反转是非常必须的。,30,7、形成粒子数反转的结构-原子能级系统,二能级系统,考虑一个二能级（ ）系统的粒子数的分布情况。设
11、有一光束通过此系统，频率为：,由于受激吸收和发射的存在，光束的能量要发生变化。经dt时间后有：,单位体积因吸收减少：,单位体积因发射增加：,能量总的变化为：,31,由爱因斯坦关系得：,由上式可知，光束在传播过程中能量密度的增减由括号中运算的值决定。据此可以把工作物质状态分为两类：（1）粒子数正常分布，满足：,当物质处于热平衡时有：,32,由于,于是粒子数分布总有,工作物质中具有较低能量的一个能级上的粒子数大于较高能量的一个能级上的粒子数即粒子数正常分布。,正常分布,33,（2）粒子数反转，满足：,光束在此工作物质中传播光能密度不断增加。,34,二能级系统不能充当激光工作物质,因为其不能实现粒子
12、反转。,如果激光器运转过程中有关的能级只有两个，用有效的激励手段把处于下能级E1的原子尽可能多地抽运到上能级E2。设能级E1和E2上单位体积内的原子数分别为n1和n2，自发辐射、受激吸收和受激辐射的概率分别为A21、W12和W21。如果能级统计权重相等，因而W12=W21=W。E2能级上粒子数n2的速率方程为dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2, 当达到稳定时，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21) ，可见，不管激励手段如何强，（A21+W）总是大于W，所以n2n1。这表明，对二能级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。,35,激光物质是三能级或四能级结构,如果激励过程使原子从基
13、态E1以很大概率W抽运到E3能级，处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1。假定从E3回到E2的概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31，也超过从E2回到E1的概率A21，则利用泵浦抽运使WW23或WW12时，E2和E1之间就可能形成粒子数反转。,三能级系统,36,在外界激励下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，然后迅速转移到E3。E3能级为亚稳态，寿命较长。E2能级寿命较短，因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1。所以在E3和E2之间可能实现粒子数反转。由于激光下能级不是基态，而是激发态E2，所以在室温下激光下能级的粒子数很少，因而E3和E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现。,n
14、1,37,8、泵浦源,必须用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为泵浦源。它是形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。从直接完成粒子数反转的方式来分，泵浦方式可分为：光激励方式、气体辉光放电或高频放电方式、直接注入电子方式、化学反应方式、热激励、冲击波、电子束、核能等方式。,38,9、谐振腔,谐振腔的作用是限制输出模式，同时还对激光频率、功率、光束发散角及相干性都有影响。,光学谐振腔结构,39,谐振腔的作用,(1) 使激光具有极好的方向性( 沿轴线) (2) 增强光放大作用( 延长了工作物质 ) (3) 使
15、激光具有极好的单色性( 选频 ),40,10、起振条件阈值条件稳定振荡条件增益饱和效应,由于R21，光在镜面上总有透射损失，镜面和腔内激活介质还存在吸收、散射等损失。因此光的增益超过损失时，光波才能被放大，进而振荡，即有阈值。激光强度将随传播距离的增加而呈指数关系上升，但是激光强度不会无限制地增大。当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定时，增益系数将减小，这种现象称为增益饱和现象。,41,11、激光产生和激光器的组成,激光器由三部分组成： 工作物质 谐振腔 泵浦源,42,灯泵浦的激光器结构图,43,12、激光的特点,激光与其他光源相比具有三大特点方向性好单
16、色性好相干性好,44,13、常见激光器的种类,自1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光器的发展非常迅速。激光工作物质已包括晶体、玻璃、气体、半导体液体及自由电子等数百种之多。激励方式有激光激励，热激励，化学激励和核激励等多种方式。 固体激光器（红宝石激光器） 气体激光器（氦氖激光器） 半导体二极管激光器 染料激光器（用在液体中能发出荧光的有机染料分子作为激活剂）,45,1.5.1 固体激光器,固体激光器是指以绝缘晶体或玻璃为工作物质的激光器。少量的过度金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃，经光泵激励后产生受激辐射作用。,光泵激励固体激光器普遍采用光激励方式把基态的粒子抽运到激发态，以形成集居数
17、反转。光泵激励分为气体放电灯激励和半导体激光器两种方式。,46,以气体放电灯为激励光源是第一台激光器问世以来广泛采用的一种激励方式。脉冲激光器采用脉冲氙灯，连续激光器采用氪灯或碘钨灯。气体放电灯激励的能量转换环节多，其辐射光谱很宽，只有一部分能量分布在激光工作物质的有效吸收带内，因此，激光器的效率很低，最常见的Nd:YAG激光器的效率在1%-3%之间。,47,半导体激光器激励的固体激光器的总效率可做到7%-20%，远远高于放电灯激励的固体激光器。此外，它还有小型化、全固态、长寿命等特点。半导体激光器泵浦可采用端面泵浦与侧面泵浦两种形式。端面泵浦固体激光器阈值功率低，效率高。由于列阵的发光面积大
18、，采用侧面泵浦方式更为有利。,全固态激光器,48,2.红宝石激光器 红宝石是掺有少量Cr2O3的Al2O3晶体。,4A2,4F2,4A2,4F1,360nm-450nm,510nm-600nm,4A2,2E,692.9nm（R1）,694.3nm（R2）,49,红宝石激光器属三能级系统，有较高的泵浦能量阈值，所以通常只能以脉冲方式运转。但由于是三能级运转，阈值泵浦能量高，应用远不如钕激光器广泛。又由于其输出的是可见光，在动态全息、医学等方面仍有应用价值。,50,3.钕激光器钕激光器是使用最广泛的激光器。以Nd3+部分取代Y3Al5O12晶体中Y3+离子的激光工作物质称为掺钕钇铝石榴石（简称Nd
19、:YAG）。,4I9/2,4F5/2 2H9/2,810nm,4I9/2,4F7/2 4S3/2,750nm,4F5/2 2H9/2,4F3/2,4F3/2,4F7/2 4S3/2,4F3/2,4I11/2,1064nm,4F3/2,4I9/2,950nm,4F3/2,4I13/2,1319nm,51,4F3/2向4I13/2跃迁属于四能级系统，跃迁几率小，只是在设法抑制1064nm激光的情况下，才能产生1319nm的激光。 4F3/2向4I9/2跃迁属三能级系统，在室温下难以产生激光。Nd:YAG激光器属四能级系统，其泵浦能量阈值比红宝石激光器低得多，而且钇铝石榴石晶体还具有高的热传导率，易
20、于散热，因此Nd:YAG激光器不仅可以单次脉冲运转，还可以用于高重复率或连续运转。,52,另一类钕激光是钕玻璃激光器，钕玻璃是在硅酸盐或磷酸盐玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。 可用于大能量激光器。钕玻璃的热传导率低，振荡阈值较Nd:YAG高，因此不宜用于连续和高重复率运转。,53,4. 钛宝石激光器它是一种连续可调固体激光器，其特点是在很宽的波长范围（660nm-1180nm）内连续可调。钛宝石激光器已取代了染料激光器。钛宝石中，少量Ti3+离子（1.2%）取代了Al2O3中的Al3+离子，自由的Ti3+离子有一个五重简并的最低电子能级2D。在晶体中，由于晶格场的作用，2D能级分裂为2T2g
21、（基态）和2Eg（激发态）两个电子能级，激光跃迁正是发生在这两个能级之间。钛宝石激光器具有四能级系统。钛宝石激光器大多采用激光泵浦。可用做泵浦源的激光器有氩离子激光器、铜蒸汽激光器、倍频的Nd:YAG或Nd:YLF激光器。激光器的调谐可通过谐振腔中的波长选择元件实现。,54,55,R为Ti3+离子和配位体离子的距离，二者的相对振动产生一系列振动能级，图中用横线表示。由于振动能级的能量间隔很小，因此大量的振动能级构成了准连续的能带。带间的电子振动跃迁形成了波长范围400nm-600nm的宽吸收带，峰值吸收波长约为490nm。在光泵作用下可产生660nm-1180nm的宽荧光谱带，其峰值波长在79
22、0nm附近。处于基态2T2g的Ti3+吸收泵浦光的能量并跃迁到2Eg能级的较高振动态，然后经无辐射跃迁降落到较低振动态。于是2Eg能级的低振动态和2T2g能级的一系列振动态之间形成了集居数反转。激光波长取决于2T2g哪一个振动能级为终端能级。终端能级Ti3+离子通过快速声子弛豫过程返回低振动态。,56,1.5.2 气体激光器,气体激光器是以气体或金属蒸汽作为工作物质的激光器。气体激光器光束的方向性好、单色性好。但气体的激活粒子密度远小于固体，需要较大体积的工作物质才能获得足够的输出功率，因此气体激光器的体积一般比较庞大。通常采用气体放电泵浦方式。除气体放电泵浦外，气体激光器可采用化学泵浦、热泵
23、浦及核泵浦等方式。,57,1.He-Ne 激光器,He-Ne 激光器是最早研制成功的气体激光器。在可见光及红外波段可产生多条谱线，其中最强的是632.8nm、1.15um、3.39um。放电管长数十厘米的He-Ne 激光器输出功率为毫瓦量级，放电管长1m-2m的激光器其输出功率可达几十毫瓦。由于其可输出连续可见光，而且结构简单、体积较小、价格低廉等优点，在准直、定位、全息照相、测量、精密计量、光盘录放等方面得到了广泛应用。,58,阴极和阳极间通过充有氦氖混合气体的毛细管放电使氖原子的某一对或几对能级间形成集居数反转。虽然混合气体中氦的含量数倍于氖，但激光跃迁只发生在氖原子的能级间，氦作为辅助气
24、体用来提高泵浦效率。,59,以632.8nm激光为例说明其激励机制：在一定条件下，阴极发射的电子向阳极运动并被电场加速，快速电子与基态的He原子发生非弹性碰撞时，将He原子激发到激发态21S0而自身减速。 21S0是亚稳态，可积累大量He原子。当激发态He原子（表示为He*）和基态Ne原子发生非弹性碰撞时，将Ne原子激发到3S2能级，这一过程称为共振能量转移，可表示为He*（ 21S0）+Ne（ 11S0） Ne*（ 3S2）+He （ 11S0 )+E（-386）cm-1,60,61,由于He原子的21S0和Ne原子的3S2能级十分接近，因而产生很大的共振能量转移截面。而激光跃迁的下能级2P
25、4上的Ne原子仅来源于电子碰撞激发和高能级的串级激发，其寿命又比上能级3S2的寿命小一个量级，所以在Ne原子的3S2和2P4能级间很容易建立集居数反转状态并实现连续激光运转。He-Ne 激光器有三条最强的激光谱线(632.8nm，1.15um，3.39um），哪一条谱线起振取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。,62,由于632.8nm和3.39um两条谱线具有相同的上能级，因此这两条谱线之间存在竞争。由于增益系数正比于波长的三次方，在较长的632.8nm He-Ne 激光器中，虽然介质膜反射镜对632.8nm波长的光具有较高的反射率，仍然会产生较强的3.39um波长的放大的自发辐射和激光，这将
26、使上能级集居数减少而导致632.8nm激光功率下降。为了获得较强的632.8nm激光输出，可采用以下方法抑制3.3.9um辐射的产生：借助腔内棱镜色散使3.39um激光不能起振在腔内插入对3.39um波长的光吸收元件；借助轴向非均匀磁场使3.39um谱线线宽增加，从而使其增益下降。,63,影响He-Ne 激光器输出功率的因素除工作物质尺寸、谐振腔损耗和输出耦合外，还有气体放电电流参数、充气气压、He气与Ne气两种气体的比例及毛细管的管径等。He-Ne 激光器输出功率并不随放电电流的增加单调上升，其间存在一使输出功率最大的最佳放电电流。He-Ne 激光器输出功率与充气压强p和管径d有关，存在一个
27、使输出功率最大的最佳pd值。 He气与Ne气两种气体的比例也会影响输出功率。产生激光的Ne原子比例过小会使输出功率减小，但是由于Ne的电离电位较低，其比例过大会因电离过多而使电子、离子数目增加，在较小的电场下就能维持一定的放电电流，低电场导致电子温度下降使激发速率降低，从而输出功率随之降低。,64,2.Ar+激光器,中性Ar原子的电子组态3P6，放电过程中，Ar与快速电子碰撞后电离，形成基态氩离子，其电子组态为3P5。激光跃迁发生在Ar+的电子组态3P44P和3P44S之间。由于3P44P和3P44S电子组态均对应若干个能级，所以连续工作的Ar+激光器可产生9条蓝绿光谱线，其中最强的是488n
28、m和514.5nm。在腔内插入棱镜等色散元件，可获得单谱线激光。,65,66,激光跃迁上能级（4P）粒子的积居主要通过三种途径实现： 基态Ar+与电子碰撞后直接跃迁到4P能级； 基态Ar+与电子碰撞后跃迁到高于4P的其他能级，再通过级联辐射跃迁至4P能级；基态Ar+与电子碰撞后跃迁到低于4P的亚稳态后再次与电子碰撞并跃迁至4P能级。,67,由于Ar原子的电离能量（约15eV）和激光跃迁上能级的激发能量（约20eV）较高，正常运转所要求的平均电子动能（温度）很高。而且Ar+激光器必须采用大电流弧光放电激发。为了提高放电电流密度，放电应集中在毛细管中心1mm-2mm范围内。为此沿放电毛细管加一轴向
29、磁场，磁场的洛仑兹力可约束电子和离子向管壁扩散。但在使电子集中在管中心的同时也大大降低了轴向电场强度，从而导致电子温度和电离度降低，因此存在一个使输出功率最大的最佳磁场强度值。,68,3.CO2激光器,CO2激光器的主要特点是输出功率大、能量转换效率高、输出波长（10.6m）正好处于大气窗口。因此，广泛应用于激光加工、医疗、大气通信及军事领域。CO2激光器以CO2、N2和He的混合气体作为工作物质。激光跃迁发生在CO2分子的电子基态的两个振动-转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的激励效率，He则有助于激光下能级的抽空。分子的总能量包括以下四部分：电子绕核运动的能量；分子中原子的振动能量；
30、分子的转动能量；分子的平动动能。其中前三种运动的能量是量子化的。,69,N2分子只有一种振动方式，图中所示为振动量子数等于0和1的振动能级。CO2分子的三个原子以对称振动、弯曲振动和反对称振动三种方式相对振动，以1、2 和3分别表示振动量子数，其取值为零或正整数。,70,0001向1000跃迁产生10.6um波长的激光，0001向0200跃迁产生9.6um波长的激光。由于以上跃迁具有同一上能级，而且0001向1000跃迁的几率大得多，所以CO2激光器通常只输出10.6um激光。若要得到9.6um波长的激光振荡，则必须在谐振腔中放置波长选择元件抑制10.6um的激光振荡。在CO2激光器中，通过以
31、下三个过程将CO2分子激发到0001能级： 直接碰撞 级联跃迁 共振转移：几率最大，作用也最显著。,71,CO2分子激光下能级的抽空主要依靠气体分子间的碰撞。基态He与0110能级CO2分子的碰撞大大缩短了该能级的寿命，相应地也大大缩短了激光下能级的寿命。此外，由于He气具有较高的热传导率，He气的加入会加速热量向管壁的传递，降低了放电空间的气体温度，这也会有效降低激光跃迁下能级的集居数密度。CO2激光器的种类较多，主要分为以下四类： 纵向流动CO2激光器 封离CO2激光器 横向流动CO2激光器 波导CO2激光器,72,常用的气体激光器还有N2分子激光器和准分子激光器，输出激光波长都在紫外波段
32、。,73,1.5.3 半导体二极管激光器,半导体二极管激光器体积小、寿命长、输出功率大、效率高，可采用简单的电流注入方式泵浦。半导体二极管激光器的工作电压与集成电路兼容，因此可与集成电路集成。可用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印等方面有广泛的应用。,74,半导体激光器的光学谐振腔是介质波导腔，其振荡模是介质波导模。半导体激光器以半导体材料作为工作物质，其能带结构由价带、禁带和导带组成，而导带和价带又由不连续的能级构成。直接带隙半导体：导带的底与价带的顶正好相对，即它们相对于同一个波矢k。半导体激光器是利用半导体材料
33、导带中的电子和价带中的孔穴的复合来产生受激辐射的。,75,为使半导体介质具有增益，能对光辐射产生放大作用，则要求：对某波矢k，作为激光上能级的导带中的电子数要大于作为激光下能级的价带中电子数。在热平衡条件下，电子基本处于价带中，半导体介质对光辐射只有吸收作用。但在电流注入二极管激光器的pn结时，热平衡状态被打破，因此电流激励可使半导体介质具有增益。,76,半导体激光器所涉及的半导体材料种类很多。主要材料系有： 以GaAs和Ga1-xAlxAs为基础，这种激光器的输出波长取决于下标x及掺杂情况，一般为0.85m左右。 以InP和Ga1-xInxAs1-yPy基础，这种激光器的输出波长取决于下标x
34、和y，一般在0.92m-1.65m。 以Ga1-xAlxAs/ GaAs和In0.5（Ga1-xAlx）0.5P/ GaAs材料为基础的可见光半导体激光器，其波长分别为780nm和630nm-680nm。 以GaN材料为基础的另一类可见光激光器得到迅速发展，其输出波长更短，在蓝绿光波段，主要用于高密度光存储。,77,半导体激光器的种类也较多，但应用较多的是双异质结激光器和量子阱激光器。（1）双异质结激光器,GaAs是有源区，它在x方向上的厚度为0.1m-0.2m；有源区两侧区为相反掺杂的Ga1-xAlxAs包围层。在用略大于禁带宽度Eg的V进行正向偏置时，有源层的导带形成了一电子势阱，其深度为
35、Ev。这样在正向偏置下，有源层可视作为电子和空穴势阱。从N区注入的电子和从P区注入的空穴便被束缚在有源层内，形成粒子数反转，使光波在有源层内得到放大。有源层和两侧的包围层形成所谓的三层介质波导，能有效地有效地把光波场约束在有源层。,78,79,（2）量子阱激光器单量子阱激光器的结构基本上就是把普通的双异质结激光器的有源层厚度做成数十纳米以下的一种激光器。这种量子阱激光器的有源层太薄，对非平衡载流子的收集能力较弱，光场限制因子也很小。这些因素使所需的光增益变大，从而使阈值电流密度增加。为了改善量子阱激光器的性能，提出了多量子阱异质结激光器：采用多个量子阱组成有源层，所以光限制因子的数值明显提高而且各个量子阱所负担的光增益也可控制在较低水平。,80,
