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為了使紫外線輻射源更為實(shí)用化,半導(dǎo)體紫外二極管發(fā)展的一個(gè)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(gè)方向是開發(fā)發(fā)射波長(zhǎng)為280nm、功耗小于10mW的發(fā)光二極管以及發(fā)射波長(zhǎng)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(jià)格低,壽命長(zhǎng),耗電少及頻率可快速調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在國(guó)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(zhǎng)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(duì)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(shí),工作溫度和注入電流的變化還會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體激光二極管輸出功率的不穩(wěn)定。

對(duì)于某些高科技領(lǐng)域應(yīng)用,例如近些年發(fā)展起來(lái)的相干光纖通訊,對(duì)作為發(fā)送光源和外差檢測(cè)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(shí),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(duì)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(duì)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(zhǎng):即激光管工作波長(zhǎng),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(shí),在PIN管上流過(guò)的電流。

半導(dǎo)體激光二極管的檢測(cè)

(1)阻值測(cè)量法:拆下激光二極管,用萬(wàn)用表R×1k或R×10k檔測(cè)量其正、反向電阻值。正常時(shí),正向電阻值為20~40kΩ之間,反向電阻值為∞(無(wú)窮大)。若測(cè)得正向電阻值已超過(guò)50kΩ,則說(shuō)明激光二極管的性能已下降。若測(cè)得的正向電阻值大于90kΩ,則說(shuō)明該二極管已嚴(yán)重老化,不能再使用了。
(2)電流測(cè)量法:用萬(wàn)用表測(cè)量激光二極管驅(qū)動(dòng)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(guò)該管的電流值,當(dāng)電流超過(guò)100mA時(shí),若調(diào)節(jié)激光功率電位器,而電流無(wú)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(shuō)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(duì)半導(dǎo)體激光二極管的工作原理及其特點(diǎn)作一簡(jiǎn)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(duì)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(guò)拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對(duì)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(shí),會(huì)削弱PN結(jié)勢(shì)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(guò)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(huì)發(fā)生復(fù)合,從而發(fā)射出波長(zhǎng)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(guò)半導(dǎo)體時(shí),一旦經(jīng)過(guò)已發(fā)射的電子-空穴對(duì)附近,就能激勵(lì)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(huì)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(shuō)對(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí),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(jiǎn)單原理。