光靠一次的粒子数反转是没有办法持续发出高能单色方向性好的激光的，我们必须通过一定的方式，使工作物质对入射光的受激发射放大作用重复进行，这样就能在一定条件下形成一种持续的受激发射状态。实现上述状态的实际措施，是采用光学共振腔装置。光学共振腔的作用是使引起受激发射的光子多次通过置于腔内的工作物质，以产生持续的受激发射；此外，腔的另一个作用是把腔内的一部分受激发射光子不断输出腔外。下面介绍一种最简单而又最普遍的共振腔结构，示意图如1.2所示。平行平面共振腔是由两块高度平行的平面反射镜组成的，

图1.2平行平面共振腔

其中一个镜面对激光是全反射的，另一个镜面对激光是部分透过的。在这两个反射面之间放置工作物质，在一定的激励条件下，工作物质获得粒子数反转并产生受激发射。垂直于两个镜面的方向上行进的受激发射光子，由于两镜面的多次反射作用，使得沿上述方向行进的光不间断地往返于两镜面之间。并多次经受受激发射放大作用。在腔内的每一次往返过程中，有一部分受激发射光子经过部分透过的镜面而输出腔外。在这样的多次往返中，每次由镜面透过所引起的腔内光子数的减少，正好可以由受激发射引起的光子数的增加来弥补，这样就可以建立稳定和持续的受激发射状态，称为受激发射的震荡状态。同时，部分不垂直于镜面方向行进的光子，在两镜面之间往返几次之后，便会逸出腔外，因为不能形成有效的持续震荡状态，从而保证了激光的高方向性。而且受激发射产生于工作物质的一对或少数几对特定能级之间，采用光学共振腔以后，由于共振腔对震荡光子的频率有一定的限制，因而保证了激光的单色性。

综上所述，激光器产生激光的必要条件是：受激辐射占主导地位，实现粒子数反转分布，有光学共振腔。

1.3  半导体激光器：

激光器可以分为固体激光器，气体激光器，半导体激光器。固体激光器利用光泵来实现粒子数反转，将工作物质加工成长圆柱状，上下两个断面抛光组成共振腔的两个平行平面反射镜的反射面。气体激光器采用电注入的方式实现粒子数反转，并通过能量共振转移实现工作物质的粒子数反转，放出与电流激励相应的激光输出。固体激光器和气体激光器发出的光斑幅角很小，在很远的距离依旧能保持圆形，但是由于体积过大，工作电压高，而且效率太低，绝大部分能量（95%以上）全部以热的形式放出，不能用于一些小型的电子产品。人们便将注意力转移到了小型的半导体激光器上。

半导体激光器[2]是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激发射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光震荡的。

在半导体中，P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子（P型为空穴，N型为电子）的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，如图1.3（a）所

图1.3 （a）P-N结内载流子的运动（b）零偏压时P-N结的能带倾斜图

（c）正偏压下P-N结能带图

示。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的费米能量相同，两种运动处于平衡状态为止，结果使能带发生倾斜，如图1.3（b）所示。在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，如图1.3（c）所示。在电子和空穴的扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光，这些光子将引起处于反转分布状态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激发射光子。只有当增益大于损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益，为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。