实验一半导体激光器系列实验

实验一半导体激光器系列实验怀化学院物理与电子工程系-1-一、实验设备介绍1．实验仪器序号名称规格1半导体激光器及可调电源中心波长650nm，＜5mW，电流0～40mA连续可调2WGD-6光学多道分析器光栅600L/mm，f=302.5mm3可旋转偏振片最小刻度值1°4旋转台0°～360°最小刻度值1°5多功能光学升降台升降范围40mm6光功率指示仪2μW～200mW6挡2．配套仪器的使用WGD-6光学多道分析器的使用参考WGD-6光学多道分析器的使用说明书。3．激光器概述光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础，引起世界各国的极大关注。其中半导体激光器的生产和应用发展特别迅猛，它已经成功地用于光通讯和光学唱片系统；还可以作为红外高分辨率光谱仪光源，用于大气测污和同位素分离等；同时半导体激光器可以成为雷达，测距，全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。半导体激光器，调频器，放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通讯，光计算机的发怀化学院物理与电子工程系-2-展。激光器一般包括三个部分：（1）激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。（2）激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。（3）谐振腔有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块大部分反射、少量透射怀化学院物理与电子工程系-3-出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。4．半导体激光器使用注意事项（1）半导体激光器不能承受电流或电压的突变。若使用不当容易损坏。当电路接通时，半导体激光器的注入电流必须缓慢地上升，不要超过65mA，以防半导体激光器损坏。使用完毕，必须将半导体激光器的注入电流降回零。（2）静电感应对半导体激光器也有影响。如果需要用手触摸半导体激光器外壳或电极时，手必须事先触摸金属一下。二、实验目的（1）通过实验熟悉半导体激光器的光学特性；（2）掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节；（3）根据半导体激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。三、实验原理1．半导体激光器的基本结构怀化学院物理与电子工程系-4-图1半导体激光器的结构+Vpn半导体激光器大多数用的是GaAs或Ga1-xAlxAs材料，p-n结激光器的基本结构如图1所示。p-n结通常在n型衬底上生长p型层而形成。在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过,这电流使结区附近的有源区内产生粒子数反转，还需要制成两个平行的端面起镜面作用，为形成激光模提供必须的光反馈。图1中的器件是分立的激光器结构，它可以与光纤传输线连接，如果设计成更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光路。2．半导体激光器的阈值条件当半导体激光器加正向偏置并导通时，器件不会立即出现激光振荡。小电流时发射光大都来自自发辐射，光谱线宽在数百A数量级。随着激励电流的增大，结区大量粒子数反转，发射更多的光子。当电流超过阈值时，会出现从非受激发射到受激发射的突变。实际上能够观怀化学院物理与电子工程系-5-察到超过阈值电流时激光的突然发生，只要观察在光功率对激励电流曲线上斜率的急速突变，如图2所示；这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的缘故。从定量分析，激光的阈值对应于：由受激发射所增加的激光模光子数（每秒）正好等于由散射、吸收激光器的发射所损耗的光子数（每秒）。据此，可将阈值电流作为各种材料和结构参数的函数导出一个表达式：220811[1()]2thQenDJanR（1）图2激励电流这里，Q是内量子效率，O是发射光的真空波长，n是折射率，是自发辐射线宽，e是电子电荷，D是光发射层的厚度，是行波的损耗系数，L是腔长，R为功率反射系数。3．横膜和偏振态半导体激光器的共振腔具有介质波导的结构，所以在共振腔中传播光以模的形式存在。每个模都由固有的传播常数m和横向电场分布，这些模就构成了半导体怀化学院物理与电子工程系-6-激光器中的横模。横膜经端面出射后形成辐射场。辐射场的角分布沿平行于结面方向和垂直于结面方向分别成为侧横场和正横场。辐射场的角分布和共振腔的几何尺寸密切相关，共振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大。由于共振腔平行于结平面方向的宽度大于垂直于结平面方向的厚度。所以侧横场小于正横场发散角，如图3所示；侧横场发散角可近似表示为：/d，d表示共振腔宽度。共振腔厚度通常只有1m左右，和波长同量级，所以正横场发射角较大，一般为30°～40°。辐射场的发散角还和共振腔长度成反比，而半导体激光器共振腔一般只有几百微米，所以其远场发射角远远大于气体激光器和晶体激光器的远场发射角。图3半导体激光器的发散角半导体激光器共振腔面一般是晶体的解理面，对常用的GaAs异质结激光器，GaAs晶面对TE模的反射率大于对TM模的反射率。因而TE模需要的阈值增益低，TE模首先产生受激发射，反过来又抑制了TM模；另一方面形怀化学院物理与电子工程系-7-成半导体激光器共振腔的波导层一般都很薄，这一层越薄对偏振方向垂直于波导层的TM模吸收越大。这就使得TE模增益大，更容易产生受激发射。因此半导体激光器输出的激光偏振度很高。偏振度计算公式//90%//IIPII（2）4．纵模特性激光二极管端面部分反射的光反馈导致建立单个或多个纵光学模。由于它类似于法布里——珀罗干涉仪的平行镜面，激光器的端面也常称为法布里——珀罗面。当平行面之间为半波长的整数倍时，在激光器内形成驻波。模数m可由波长的数值得出。2OLnm（3）式中，L是两端面之间的距离，n是激光器材料的折射率，O是发射在真空中的波长，模的间隔由/Odmd确定：2000022dmLnLdndd（4）对应1dm,模的间隔0d为怀化学院物理与电子工程系-8-22(/)OOOOdLndnd（5）半导体激光器典型的光谱如图4所示；通常同时存在几个纵模，其波长接近自发辐射峰值波长。GaAS激光器的纵模间隔的典型值为3oOdA。为了实现单模工作，必须改进激光器的结构，抑制主模以外的所有其他模。图4半导体激光器的光谱五、实验步骤和内容实验中所使用的半导体激光器是可见光半导体激光器，最大功率为3mw,中心波长为650nm左右。1．半导体激光器的输出特性实验光路如图5所示；用观察半导体激光器LD电源电流表（mA）的注入电流，调节半导体激光器的准直怀化学院物理与电子工程系-9-透镜把光耦合进光功率指示仪的接受器，用光功率指示仪读出半导体激光的输出功率。把半导体激光器注入电流I从零逐渐增加到40mA，观察半导体激光器输出功率P的变化，重复2次，将试验数据列表，并做出P—I曲线，P为平均功率。图5P-I曲线测量2．半导体激光器的发散角测定测定半导体激光发散角的试验装置如图6所示；半导体激光器置于旋转台中心，去掉准直透镜，使半导体激光器的光发散，并平行与旋转台面。光功率指示仪探头与半导体激光器LD的距离为L，当旋转台处于不同角度时，记下光功率指示仪所测到的输出值，做出在不同的注入半导体激光器电流时，其输出值随角度变化的曲线。将半导体激光器旋转90°再测量侧横场发散角。怀化学院物理与电子工程系-10-图6发散角测量3．半导体激光器的偏振度测量测量半导体激光器的偏振度的装置如图7所示，偏振器是带有角度读数的旋转偏振片，读出偏振片处于不同角度时，对应的半导体激光器的输出值，将实验值列表，并计算出其偏振度。图7偏振度测量4．半导体激光器的光谱特性测试图8所示的是测量半导体激光器的光谱特性的光路装置。半导体激光器LD（650nm，＜5mW）的光信号通过透镜L（f=15，φ=14）耦合进WGD-6光学多道分析怀化学院物理与电子工程系-11-器的输入狭缝，让光学多道分析器与计算机相连，从光栅单色仪输出的光信号通过CCD接收放大输出到计算机，通过控制软件的设置就绘出半导体激光器的谱线。图8光谱特性测量