半导体激光简介

文章摘要：激光（Laser）是“受激辐射光放大”的简称，是一种亮度极高、方向性和单色性很好的相干光辐射。产生激光的跃迁过程是：自发辐射、受激吸收与受激辐射，可以用一个简单的两能级系统来定性说明，如图1所示。在这个两能级系统中E）是基态，马是激发态。电子在这两个能级之间的跃迁必定伴随着吸收或发射频率为v的光子，且hv=E2-E1。在直接带隙半导体中，在热平衡条件下，导带和价带内分别占有一定的电子和空穴。而电子处于激发态时不稳定的原子必然会跃迁回到基态，即导带电子以一定的几率随机地跃迁到价带与空穴复合，并以光子形式释放出能量。这种不受外界因素的作用而发射光子的过程称为自发辐射，如图1（a）所示。这是半导体发

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　　激光（Laser）是“受激辐射光放大”的简称，是一种亮度极高、方向性和单色性很好的相干光辐射。产生激光的跃迁过程是：自发辐射、受激吸收与受激辐射，可以用一个简单的两能级系统来定性说明，如图1所示。在这个两能级系统中E）是基态，马是激发态。电子在这两个能级之间的跃迁必定伴随着吸收或发射频率为v的光子，且hv=E2-E1。在直接带隙半导体中，在热平衡条件下，导带和价带内分别占有一定的电子和空穴。而电子处于激发态时不稳定的原子必然会跃迁回到基态，即导带电子以一定的几率随机地跃迁到价带与空穴复合，并以光子形式释放出能量。这种不受外界因素的作用而发射光子的过程称为自发辐射，如图1（a）所示。这是半导体发光二极管的工作基础。在常温下，大部分原子处于基态。当有适当能量（hv＝E2一E1）的光子与半导体作用时，可以使处于基态的原子吸收光子进入激发态马。这个过程就是受激吸收，如图1（b）所示。处于激发态砀的原子受到另一个具有能量hr的光子作用时，受激原子立即跃迁到基态E1，并发射出一个与入射光具有相同特征（如频率、相位、方向和偏振态等）的光子。这种跃迁过程称为受激辐射，如图1（c）所示。

　　图1 能级马与Ey之间的基本跃迁过程

　　当上述系统处于恒定的频率为v的光子流辐射场作用时，能级E1与马之间光的受激吸收与受激辐射是同时存在的。如果处在激发态马的电子数大于处于基态E2的原子数，则在光子作用下，受激辐射将超过受激吸收过程。这样就使得系统发射的能量为hv的光子数将大于进入系统的光子数。这种现象称为光量子放大。通常把这种处在激发态马（高能级）的电子数大于处于基态E1（低能级）的电子数的状态称为粒子数反转或分布反转。要产生激光，必须采取措施，使系统实现粒子数反转的状态。根据费米分布相关理论，容易推导出分布反转的必要条件

　　式中，EnF和EpF分别表示电子和空穴的准费米能级，凡为禁带宽度。该式表明，要产生受激辐射，必须使电子和空穴的准费米能级之差大于入射光子的能量hv，且hv≥g。