量子阱级联激光器

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1、、、一工﹄、、,,致谢本文承蒙叶朝辉研究员朱熙文研究员李白文王义遒王庆吉傅济时等量子频标原理科学出版,,,研究,并提出宝贵意见,社员和高克林副研究员阅读初稿,。,皿特此致谢扭,,。参考文献,︸,五,二‘户一,︼,、,,。郑乐民徐庚武原子结构与原子光谱北京大学出版社,,,,,,。礴,,,一一,、,,,,。,,,,刀,夕。,,。量子阱级联激光器李明中,北京。。国科学院物理研究所摘要介绍了一种新型的工作于咭”。的半导体激光器量子阱级联激光器这种新型激,—、光器是单极性的它发光仅依赖于电子而并非正负两种电荷介绍了这种激光器的结构工作原理和激光特性。,红

2、外,量子阱关链词半导休激光器激光器·,,卜犷,。,,,在被光激发的激光介质中如果在能级中阱中的台阶式分布当电子从一个高能级量子,,布居的粒子数发生了反转即上能级粒予数大阱跃人另一个低能级量子阱中时将产生一个,,于下能级粒子数那么激光介质受激辐射的概光子从物理内容上看这是一种新型激光器率将大于受激吸收的概率上能级粒子向下能因为它的发光机理不再像激光二极管那样依靠级跃迁并释放光子这是多数气体或固体激光电,子与空穴的复合产生光子而是电子在具有,,器的工作原理半导体激光器包括量子阱激光不同能级量子阱之间的迁移过程中释放能量器是通过导带中的电子与价带中的

3、空穴复合产,产生光子因而量子阱级联激光器是单极性生光子的所产生光子的能量决定于导带与价激光器。,带的能带间隙最近贝尔实验室发明贝尔实验室设计的这种激光器的工作波长了一种量子阱级联激光器“一习它是一种多层,为尔可根据要求通过改变激发区量子的量子阱结构每一层结构包括一个注入区和,阱的阱宽改变电子能级从而使得激光器的工一个激发区激发区为三个祸合量子阱这种激光器的光子产生依赖于电子能级在藕合量子年月,日收到初稿月日次到修改稿卷,年呼期口,作波长发生改变年是大气窗在这一,波段陀近大气对光的吸收很小因而这种量子阱级联激光器在自由空间信息传输、激光雷达等方面

4、将有很好的应用前景这里我们将介绍量子阱级联激光器的结构激光器的工作原理以及激光器的工作特性量子阱级联激光器的结构与工作原理图量子阱级联激光器的结构量子阱级联激光器的有源区是能带呈台阶,形的级联量子阱结构贝尔实验室使用了虚线部分没有给出注人区的结构但它却是。。〔作为量子阱材料有源区共一个具有六个周期的超晶格结构每个周期有级每一级包含一个激发区和一个注人入每个周期势垒与势阱宽度各不相同自左,区图为量子阱级联结构中导带能级图的向右势垒占超晶格的晶格常数的比从外,到并阶跃变化这种结构形成了六个能级一部分图中虚线部分为注人区实线部分为激发区每个激发区中有

5、三个量子阱自左向台阶电子从上一个激发区中逃逸到注人区具,,右第一个量子阱阱宽为入第二个量子阱阱,有一定速度六个能级台阶形成了势能坡它,宽为,人第三个量子阱阱宽为入隔离,使电子逐渐减速慢慢滑落到激发区在理想,,,三个量子阱的是四个势垒它们的宽度分别为的情况下一个电子穿过个级联激发区将产入,入,入和入电子从注人区隧穿生个光子,过入的势垒壁进人第一个量子阱到达势阱量子阱级联激光器是一个四能级工作系,、,中心位置的能级当电子从第一个量子阱统注人区能级和组成了这四个能,,电,,能级跃人到第二个量子阱中心能级时级能级应保持粒子数反转即处在能,,子需释放能量

6、即产生一个光子,一一级的电子数应多于处在能级的电子数只电子继续从第二个量子阱隧穿到下一个量有这样才能保证受激辐射大于受激吸收这是,,,子阱中并达到能级在此过程中声子将激光产生的必要条件量子阱级联结构在,沪电场的作用下,乙通过散射带走能量一最后电子从能级到能级之能级的量子阱逃逸到注人区贝尔实验室使用间的跃迁时间几为而能级到之,,几,为势阱材料使用为势垒材间的跃迁时间相对较快电子从,用量逃料根据量子阱的结构和所使用的材料离激发区的时间毛这些说明了电,,,,子阱理论计算得到一,一子在激发态所驻留的时间相对较长而在能,一级所驻留的时间相对较短因而这个系

7、统注人区的作用是冷却在上一个激发区被加的粒子数反转是可以实现的,速了的电子高速电子具有很高的动能如果虽然被激发的量子阱级联结构中的粒子数,,,直接进人激发区它将不落在能级的量子阱反转是成立的但是这个系统的辐射效率很低,一‘内也不会跃迁到能级而直接穿过三个藕合仅为量级这使得系统的阑值电流很高,,量子阱在这个过程中并不释放光子只有贝尔实验室制做的器件阂值电流为左右,很慢的电子才与量子阱发生作用并产生光子这大大高于目前商用的半导体激光器的阑值电,为了使高速电子减速设计了注人区尽管图流大的驱动电流会使激光器过热设计者必物理,须考虑冷却系统事实上量子阱级

8、联激光器衬底为型掺杂的激发区和注人区的势是在低温环境下获得激光输出的垒材料和势阱材料保持与晶格匹配在激光工作区的上下都长有一量子阱级联激光器的制作定厚