科学决不是也永远不会是一本写完了的书。每一项重大成就都会带来新的问题。任何一个发展随着时间的推移都会出现新的严重困难。—爱因斯坦（A.Einstein）

一、LD激光发射条件——粒子数反转、光学谐振腔 1.粒子数反转——产生激光的首要条件

       半导体激光器的结构是一个法布里-珀罗谐振腔，如图6.2.1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Nc和Nv分别表示高、低能带上的电子密度。当Nc<Nv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Nc＞Nv，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6.1.8b所示。

       半导体材料在通常状态下，总是Nc<Nv，因此称Nc＞Nv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。

2.光学谐振腔——形成激光的第2个条件

       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6.2.1d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。前面已讨论了法布里-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6.2.1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6.2.2所示。谐振腔里存在着损耗，如镜面反射损耗、工作物质吸收和散射损耗等。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6.2.1a所示。后端面发射的光，由封装在内的光检测器接收变为光生电流，经过反馈控制回路，使激光器输出功率保持恒定。

图6.2.1半导体激光器

a）LD相当于法布里-珀罗谐振腔   b）腔内纵模驻波

c）腔内纵模共振光谱d）初始光场在谐振腔体内移动δx获得增益δg

二、激光器起振的阈值条件——腔体阈值增益等于总损耗

       为了确定激光器起振的阈值条件，先来研究平面波幅度在谐振腔内传输一个来回的变化情况。设平面波的幅度为E0，频率为ω，在图6.2.3中，设单位长度增益介质的平均损耗为αint（cm-1），两块反射镜的反射系数为R1和R2，光从x=0处出发，在x=L处被反射回x=0处，这时光强衰减了R1R2exp［-αint（2L）］。另外，在单位长度上因光受激发射放大得到了增益g，光往返一次其光强放大了exp［g（2L）］倍，维持振荡时光波在腔内来回一次的光功率应保持不变，即Pf=Pi，这里Pi和Pf分别是起始功率和循环一周后的反馈功率。也就是说，衰减倍数与放大倍数应相等，于是可得到

       由此可求得使Pf/Pi=1的增益，即阈值增益gth，该增益应该等于腔体的总损耗，它对应阈值粒子数翻转，即Nc-Nv=（Nc-Nv）th，达到阈值时，高、低能带上的电子密度差为（Nc-Nv）th，表示阈值粒子数翻转条件。法布里-珀罗半导体激光器通常发射多个纵模的光，如图6.2.1c所示。半导体激光器的增益频谱g（ω）相当宽（约10THz），在F-P谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模，如图6.2.2所示。在理想条件下，其他纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比主模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一两个模与主模一起携带着激光器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体激光器。由于群速度色散，每个模在光纤内传输的速度均不相同，所以半导体激光器的多模特性将限制光波系统的比特率和传输距离的乘积（BL）。

图6.2.2激光器增益谱和损耗谱