什么条件下适合使用4-5LD激光发射？

半导体激光器的结构是一个法布里-珀罗谐振腔，如图4-8所示。激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。用N_c和N_v分别表示高、低能带上的电子密度。当N_c<N_v时，受激吸收过程大于受激发射，增益系数g<0，只能出现普通的荧光，光子被吸收的多，发射的少，光场减弱。若注入电流增加到一定值后，使N_c>N_v，增益系数g>0，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的PN结区成为对光场有放大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射，如图4-4 b和图4-3所示。

半导体材料在通常状态下，总是N_c<N_v，因此称N_c>N_v的状态为粒子数反转。使有源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器产生激光的首要条件。

半导体激光器产生激光的第2个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。初始光场在谐振腔体内移动δx，获得了增益δg，如图4-8 b所示。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。在问3-4中，我们已讨论了法布里—珀罗谐振腔的构成和工作原理。在半导体激光器中，用晶体的天然解理面构成法布里—珀罗谐振腔，如图4-8所示。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。相位条件使谐振腔内的前向和后向光波发生相干，阈值条件使腔内获得的光增益g（ν）正好与腔内损耗相抵消，此时的纵模就变成发射主模，如图4-9所示。谐振腔里存在着损耗，如镜面的反射损耗、工作物质的吸收和散射损耗等。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。前端面发射的光约有50%耦合进入光纤，如图4-8 a所示。后端面发射的光，由封装在内的光检测器接收变为光电流，经过反馈控制回路，使激光器输出功率保持恒定。

图4-8 半导体激光器（LD）

a）LD相当于法布里-珀罗（F-P）谐振腔 b）初始光场在谐振腔内移动δx获得增益δg(www.xing528.com)

图4-10是对激光器起振阈值条件的简化描述，由图可见，只有当泵浦电流达到阈值时，高、低能带上的电子密度差（N_c-N_v）才达到阈值（N_c-N_v）th，此时就产生稳定的连续输出相干光。当泵浦超过阈值时，（N_c-N_v）仍然维持（N_c-N_v）t h，因为g_{t h}必须保持不变，所以多余的泵浦能量转变成受激发射，使输出功率增加。

图4-9 激光器增益谱和损耗曲线（阈值增益为两曲线相交时的增益值）

图4-10 激光器起振阈值条件的简化描述