半导体激光器在物理中的应用

本科生毕业论文半导体激光器在物理实验中的应用院（系）物理与电气信息工程学院专业物理学研究方向半导体激光器件理论研究学生姓名学号201001010495指导教师姓名指导教师职称2014年5月24日大庆师范学院本科毕业论文（设计）I摘要本次论文简单介绍了半导体激光器的自身特点及发展历程，根据论文中介绍的全息照相实验，双棱镜实验，迈克尔逊干涉仪的各自实验原理，对比传统光源与半导体激光器的发光特点，在实验中引进半导体激光器对实验进行改进，得到了比传统光源更为期待的实验结果，且新光源的引入可以降低操作难度。关键词：发光二极管；全息照相；双棱镜实验；迈克尔逊干涉；大庆师范学院本科毕业论文（设计）IIAbstractThispaperrecommendthepeculiarityandofhistorylaser,accordingtothedescribedinthepaper,comparedtotraditionallightsourceandlightemittingcharacteristicsofsemiconductorlaser,thesemiconductorlaserisintroducedintheexperimenttoimprovetheexperiment,themorelookingforwardtotheexperimentalresultsthantraditionallightsources,andtheintroductionofnewlightsourcecanreducetheoperationdifficulty.Keywords:amelioratephysicalexperiment;michelsoninterferometer大庆师范学院本科毕业论文（设计）III目录第一章前言......................................................................................................................11.1半导体激光器特点.............................................................................................................................11.2半导体激光器的发展.........................................................................................................................1第二章实验部分..............................................................................................................22.1半导体激光器运用于全息摄像........................................................................................................22.1.1半导体激光器输出光的特点........................................................................................22.1.2高斯光束的矫正............................................................................................................32.1.3整形后的光束拍摄全息图............................................................................................32.2双棱镜干涉实验.................................................................................................................................52.2.1取代传统钠光源............................................................................................................52.2.2实验装置.......................................................................................................................52.3迈克尔逊干涉仪实验.........................................................................................................................62.3.1简介迈克尔逊干涉仪实验...........................................................................................62.3.2实验及数据分析...........................................................................................................6第三章实验结果与讨论..................................................................................................93.1本次论文的总结.................................................................................................................................9[参考文献]........................................................................................................................10大庆师范学院本科毕业论文（设计）1第一章前言1.1半导体激光器特点在物理光学实验中，光的干涉、衍射、偏振等实验由于其在光学发展中的重要地位，和经典的理论基础，一直都是教学的重点内容，氦氖激光器在传统的物理实验中占据着着主导地位，原因是在理论实验中我们对单色光的需求比较高，而它拥有比较好的单色性和较强的方向性等一系列的特性]1[，在实验中操作中可以视为点光源或是自然光，运用到光学实验当中。但是由于氦氖激光器功率不稳定，调节繁琐，价格高等弊端的存在，又为实验操作增加了难度和不必要的麻烦。时至今日，我们可以关注另一种典型的激光器——半导体激光器，相比之下，半导体激光器具有一些更为可观的优势：可协调性，灵敏度、选择性都比较高，方便调制波长，光谱纯度高，。1.2半导体激光器的发展1962世界上第一个半导体激光（激光二极管）是出世在世界上，因为它体积小，速度快，规格的调制效率相当低廉的价格优势，被认为是近代科学史上里程碑式的发明。半导体激光器最初是一个带有pn结的二极管，在一定的激励条件下，可以产生激光]2[。半导体激光器产生激光的基本要求有三个：（1）复合半导体pn结区域内的电子与空穴，为光增益创造条件。（2）pn结偏置，为载流子正向注入供应条件。（3）供给反馈的部分是由两个垂直于结的端面构成的谐振腔]3[。1970实现了9000Ǻ波长，而非均匀结构的双异质结GaAsGaAlAs激光器，使可用的频带展宽。后来经过对半导体激光器的开发和完善，获得了很多激励产生激光的方法，伴随着科学的进步，各种机制的激光器被不断的研发出来，后来的激光器很容易就达到了室温下连续工作的目的。半导体激光器却带有一些让实验人员不得忽视的弊端：产生激光的性能受使用环境温度的影响很大，光束散发、张角较大，以上两方面在很大程度上影响了半导体激光器在单色性和方向性等方面的性能。20世纪70年代，量子阱能带工程的引入与应用，电子能量将由经典的准连续分布转变为分立能级的量子化状态]3[。上世纪90年代，伴随宽带隙GaN基技术的不断成长完善，为半导体激光器的发展开辟了广阔的天地。随着科学技术的革新，结合多种质结结构的开发，半导体激光器摆脱了只能在低温下运行的束缚，达到了室温下稳定连续使用的目的，从小功率型成功转型为大功率型，目前的激光器的光束质量已经有了大大的提高，可以达到很多项目大庆师范学院本科毕业论文（设计）2的要求了。第二章实验部分2.1半导体激光器运用于全息摄像2.1.1半导体激光器输出光的特点共焦谐振腔是半导体激光器一般选用方式，是以选取如上装置所发射的光束是高斯光束，输出光束的强度分布为：平面波处在共焦面的位置范围上，球面波分布在其余空间上，且均为高斯分布]5[。如图1所示。图1高斯光束根据高斯光束的特性，引入近场和远场描述激光束的空间分布，在光束束腰处光束截面图形为圆形，近场和远场的光束截面都是椭圆形，分布于圆形的两侧。如图2所示，输出激光在镜子上的强度分布的定义是在近场，从反射表面定义的距离光强分布位置是远场]4[。图2发射光束大庆师范学院本科毕业论文（设计）32.1.2高斯光束的矫正在全息照相实验中使用起来比较理想的光束可以猜想到应该是圆形的,因为圆形的几何面积小于椭圆形，所以圆形光入射在拍摄对象上单位面积才更有效的效率。为了充分利用激光的相干性和高亮度,考虑利用有限折射来校正，校正光斑可以通过一定的方法压缩(或扩展)一个方向的光斑,将椭圆光束校正。由于半导体激光器的光输出椭圆偏振光，从而影响全息摄影效果，为了获得更清晰的全息图，物光和参考光应该是圆光束。这里我们使用圆柱体的望远透镜长焦镜头来进行改变光束。如图3所示，按照实验装置调整椭圆型的光束，安装两个棱镜是为了在实验中减少能量的损失。棱镜可以在其中的任意一个方向上的输出光束做调整修正，能够有效的转化是实验中的关键。]5[图3输出光束的转化原理2.1.3整形后的光束拍摄全息图全息技术是光源发出的光在经过调整后经过反射、折射等物理过程最后到了实验在物体的表面上，两个路径上的光在底片上相遇，为全息拍摄提供环境。图4调整后的全息照相图物光经过平面镜与另一束光经过分束器的反射，然后通过平面镜，最后照射在大庆师范学院本科毕业论文（设计）4全息底片上的参考光相遇，它们相遇形成了干涉条纹，这里的重要条件是两者的相干性，表现在全息底片上，得到了全息图]6[。这种方法获得的全息图在当前的条件下肉眼是不能识别的。此外，我们已经知道束腰处的输出光为圆形光束，所以如果我们如果能做到在实验中严格的控制光束，也不是必须要调整椭圆光束，一个实验计划便由此出现在了我们的眼前：将输出圆形的高斯光束入射到扩束镜，使入射光束的平行性尽可能高，进行实验，同样可以获得清晰的物体三维像。在在本文中，省略了光束通过棱镜的步骤，可以有效地减少束流损失，拍摄出来的图像应该更清楚。，图7是腰部位置的光束射图全息照像结果比较]6[。图5拍摄的前后对比图6全息照相原理图图7输出光的圆形位置拍摄大庆师范学院本科毕业论文（设计）5在全息照相的实验中，实验的时间控制也是占有很高的地位，就像普通拍摄是使用照相机一样，意义非凡，所以