1.1课题背景21世纪被称为光电子时代光电子技术是国际上竞争十分激烈的高技术产业之 一，其产业值可望占到发达国家国民经济总产值的20%,这一领域研究的开发己成为 当前最活跃的技术前沿之一其中半导体激光器是光电子产业中最重要的组成部 分，世界市场年销量约达一亿支，1994年销售额即达4亿多美元，是继大规模集成 电路之后，信息高技术领域中最有发展前途的产品之一 半导体激光器由于具有体积小、效率高、寿命长、耗能低等优点，在光纤通讯、光盘读写、 光缆电视、高效泵浦、激光医疗、材料加工等各领域都发挥着很重要的作用半导 体发光管（LD）则是半导体光电子显示的核心器件，具有可靠性高、功耗低、抗冲 击、寿命长、使用环境温度广等优点，广泛应用于电器、仪器、仪表、通讯、交 通、金融、贸易、国防等领域半导体激光器的出现，不但为光通讯发展奠定了基 础，而且为整个激光技术的发展注入了活力， 并在我们日常生产、生活中变成最广泛、最重要的激光器件近十几年来，半导体激光器的发展更加迅速，已成为世界上发展最快的一门激 光技术但在实际使用中，半导体激光器受到微小的电流和温度变化的影响时，将 导致半导体激光器输出功率的波动。
光源的稳定性影响仪器的精度，也影响着测量 的精度目前，提高激光器性能的途径主要有两个：一是应用新的半导体技术来提 高激光器器件本身的性能指标；二是提高激光器驱动电源的特性同时，半导体激 光器也是一个对温度相当敏感的元件，所以研究温度对半导体发光器发光效率的影 响是为了更好的使半导体发光器为我们的日常生活服务1.2国内外对半导体激光器研究及发展早期研究在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室 的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化彳家材料的光发射现象， 这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写下了有关数据回到家后，哈尔立即制定了研制半导体激光器的计 划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功像晶体二极管一 样，半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础，且外观亦与前者类似，因此，半 导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管第二阶段半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带 隙的半导体材料薄层，如GaAs, GaAIAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器 (1969年).单异质结注人型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在 GaAsP - N结的PK之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低 了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作随着异质结激光器的研究发展，人们想到如果将超薄膜(< 20nm)的半导体层作 为激光器的激括层，以致于能够产生量子效应，结果会是怎么样 ？再加之由于MBE,MOCVD技术的成就，于是，在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器 (QWL)，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。
后来，又由于MOCVD,MBE生长 技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料，之后，便成功地研制出了性能更加 良好的量子阱激光器，量子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具有阀值 电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效 率等许多优点QWL在结构上的特点是它的有源区是由多个或单个阱宽约为 100人的势阱所组成，由于势阱宽度小于材料中电子的德布罗意波的波长，产生了量子效应，连 续的能带分裂为子能级因此，特别有利于载流子的有效填充，所需要的激射阅值 电流特别低半导体激光器的结构中应用的主要是单、多量子阱，单量子阱(SQW)激 光器的结构基本上就是把普通双异质结(DH)激光器的有源层厚度做成 数十nm以下 的一种激光器，通常把势垒较厚以致于相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结 构称为多量子阱(MQW ),量子阱激光器单个输出功率现已大于1w，承受的功率密度已 达10MW/cm3以上而为了得到更大的输出功率，通常可以把许多单个半导体激光器组 合在一起形成半导体激光器列阵 因此，量子阱激光器当采用阵列式集成结构时，输出功率则可达到 100W以上.近年来，高功率半导体激光器(特别是阵列器件)飞速发展，已经推出的产品有连续输出功率 5W ,10W,20W和30W的激光器阵列.脉冲工作的半导体激光器峰值输出功率50W. 120W 和1500W的阵列也已经商品化.一个4. 5 cm x 9cm的二维阵列，其峰值输出功率已 经超过45kW.峰值输出功率为350kW的二维阵列也已间世。
发展方向从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传 递信息为目的的信息型激光器另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器在 泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器 （连续输出功率在100，以上，脉冲输出功率在5W以上，均可称之谓高功率半导体激光器）在20世纪90年 代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的 高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到600W .如果从激光波段 的被扩展的角度来看，先是红外半导体激光器，接着是 670nm红光半导体激光器大量进入应用，然后，波长为 650nm,635nm的问世，蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功，10mW量级的紫光乃至紫外光半导体激光器，也在加紧 研制中，为适应各种应用而发展起来的半导体激光器还有可调谐半导体激光 器，，？电子束激励半导体激光器以及作为集成光路”的最好光源的分布反馈激光 器（DFB — LD），分布布喇格反射式激光器（DBR — LD）和集成双波导激光器 另 外，还有高功率无铝激光器（从半导体激光器中除去铝，以获得更高输出功率，更 长寿命和更低造价的管子）、中红外半导体激光器和量子级联激光器等等 .其中，可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激 光的波长，可以很方便地对输出光束进行调制 分布反馈（DF式半导体激光器是伴随光纤通信和集成光学回路的发展而出现的，它于 1991年研制成功，分布反馈式半导体激光器完全实现了单纵模运作，在相干技术领域中又开辟了巨大的应 用前景它是一种无腔行波激光器，激光振荡是由周期结构 （或衍射光栅）形成光 藕合提供的，不再由解理面构成的谐振腔来提供反馈，优点是易于获得单模单频 输出，容易与纤维光缆、调制器等辆合，特别适宜作集成光路的光源面发射器20世纪90年代出现并特别值得一提的是面发射激光器（SEL），早在1977年 人们就提出了所谓的面发射激光器，并于1979年做出了第一个器件，1987年做出 了用光泵浦的780nm的面发射激光器.1998年GalnAIP/GaA。
面发射激光器在 室温下 达到亚毫安的网电流,8mW的输出功率和11%的转换效率前面谈到的半导 体激光器， 从腔体结构上来说，不论是 F — P （法布里一泊罗）腔或是DBR （分布布拉格反射式）腔，激光输出都是在水平方向，统称为水平腔结构.它们都是沿着衬 底片的平行方向出光的.而面发射激光器却是在芯片上下表面镀上反射膜构成了垂直 方向的F — P腔，光输出沿着垂直于衬底片的方向发出，垂直腔面发射半导体激光 器（VCSELS）是一种新型的量子阱激光器，它的激射阀值电流低，输出光的方向性 好，藕合效率高，通过阵列化分布能得到相当强的光功率输出， 垂直腔面发射激光器已实现了工作温度最高达71 r另外，垂直腔面发射激光器还具有两个不稳定的互相垂直的偏振横模输出， 即x模和y模，目前对偏振开关和偏振双稳特性的研究也进入到了一个新阶段，人们可以通过改变光反馈、光电 反馈、光注入、注入电流等等因素实现对偏振态的控制，在光开关和光逻辑器件领 域获得新的进展20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅 速的发展，且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用 .980m n,850nm和780nm的器件在光学系统中已经实用化。
目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以 太网的高速网络，为了满足 21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要，半导体激光器的发展趋势主 要在高速宽带LD、大功率ID,短波长LD，盆子线和量子点激光器、中红外LD等方面. 目前，在这些方面取得了一系列重大的成果 ⑴1.3论文的内容本文首先介绍了半导体激光器国内外的研究发展状况在第二章中介绍半导体 激光器的基本原理，半导体激光器光谱特性曲线以及半导体激光器的发光效率第 三章和第四章是通过实验来得出温度对于半导体激光器的发光效率的影响，并得出 结论第五章是对于该论文的展望第二章半导体激光器2.1半导体激光器2.1.1半导体激光器的工作原理半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件. 其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间， 或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子 数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用. 它的工作原理是通过一定的激励方式，当高能态的粒子数多于低能态的粒子数，并 且工作电流达到阈值电流时，激光器输出相干的受激光束。
半导体激光器产生激光 必须满足三个基本条件：图2— 1粒子数反转1粒子数反转：高能级上的电子数目要超过低能级上的电子数目，半导体光器 除了有P区和N区之外，中间还有一个不参杂的有源区，当P-N结加偏压时，降 低了 P区和NK之间的势垒，电子和空穴分别从P区和N区有源区注入，形 成粒 子数反转（如图2-1）图2—3a, 2- 3b分别是两种不同的能带图⑵2A一绩区一PEz区图2-2未注入电流LD能带图作用区图2-3注入正向电流时LD能带图晶体中的原子紧密相间、周期排列原子的外层电子与原子核之间库仑作用力 的大小与其距原子核的距离成反比各原子相应的一些外层电子运动轨道将发生不 同程度的交迭，或者用量子力学表示为他们的电子波函数发生交迭， 其结果 是使这些电子在各原子相应的轨道上发生不同程度的共有化运动 由于受到泡利 不兼容原理的限制，各原子相应的电子能级在晶体中分裂为能带，因而就形成一系列允许电子存在的能带，这些能带统称为允许带在这些允许带中，由价 电 子占据的带称为价带在绝对零度下，价带全为电子所占据，故又称价带为满带 价带之上的允许带不存在电子而全为空态，故称空带价带与满带之间没有 允许电 子存在的状态，故称为禁带。
禁带宽度用Eg表示，它是决定晶体性质的一个很重要 的参量一般说，Eg >2ev的晶体材料呈现绝缘体性质；Eg 0的晶体呈现金属性 质；Eg在到2eV之间的晶体材料具有半导体性质Eg己是决定 半导体光电子器件 重要性质的参数[3]有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应在物质的原子中，存在许多 能级，最低能级Ei称为基态，能量比基态大的能级E,i=2, 3, 4称为激发态电子 在低能级Ei的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收自发 辐射和受激辐射坯-叫 40)受激吸收；蚀和电「月底迁⑹「I发轴弘爱激辐射图2-4跃迁的三种激励方式(1)受激吸收在正常状态下，电子处于低能级E,在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高 能级鸟上，这种跃迁称为受激吸收电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴， 见图 2-4(a)⑵自发辐射 在高能级e2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级耳 上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图2- 4(b)。