【报告欧洲杯-米乐M6官方网站】半导体激光器实验报告

　　试验 13 半导体激光器试验 【试验目的】 通过试验熟识半导体激光器的电学特性、光学特性； 精. 品. 可. 编. 辑. 学. 习. 资. 料. * * * * 欢. 迎. 下. 载. 把握半导体激光器耦合、准直等光路的调剂； 依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； 把握 WGD -6 光学多道分析器的使用 【仪器用具】 半导体激光器与可调电源、 WGD-6 型光学多道分析器、可旋转偏振片、旋转台、多功能光学升降台、光功率指示仪 【试验原理】 1、半导体激光器的基本结构 半导体激光器的全称为半导体结型二极管激光器， 也称激光二极管， 激光二极管的英文名称为 laser diode ，缩写为 LD；大多数半导体激光器用的是 GaAs 或 GaAlAs 材料； P-N 结激光器的基本结构和基本原理如图 13-1 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，使鼓励电流能够通过，这电流使得邻近的有源区内产生 粒子数反转 （载流子反转），仍需要制成两个平行的端面起镜面作用， 为形成激光模供应必需的光反馈； 图 13-1（ a） 半导体激光器结构 第 1 页，共 12 页 精. 品. 可. 编. 辑. 学. 习. 资. 料. * * * * 欢. 迎. 下. 载.  2、半导体激光器的阈值条件  图 13-1 （b ） 半导体激光器工作原理图 阈值电流作为各种材料和结构参数的函数的一个表达式： Jth 8 en2 2 Q 0 D [a 1 ln〔 2 1 〕] R 这里， Q 是内量子效率， 0 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； 第 2 页，共 12 页 精. 品. 可. 编. 辑. 学. 习. 资. 料. * * * * 欢. 迎. 下. 载.  图 13-2 半导体激光器的 P-I 特性 图 13-3 不同温度下半导体激光器的发光特性 3、伏安特性 伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质， 通常用 V-I 曲线表示； V-I 曲线的变化反映了激光器结特性的优劣；与伏安特性相关联的一个参数是 LD 的串联电阻；对 V-I 曲线进行一次微商即可确定工作电流（ I）处的串联电阻（ dV/dI ）；对 LD 而言总是期望存在较小的 串联电阻； 第 3 页，共 12 页 精. 品. 可. 编. 辑. 学. 习. 资. 料. * * * * 欢. 迎. 下. 载.  3欧洲杯-米乐M6官方网站、横模特性  图 13-4 典型的 V-I 曲线和相应的 dV/dI 曲线 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； 每个模都由自己的传播系数 和横向电场分布， 这些模就构成了半导体激光器中的横模； 横模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结面方向分别成为正 横场和侧横场； 辐射场的角分布和共振腔的几何尺寸亲密相关， 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面方向的宽带大于垂直于结面方向的厚度； 所以侧横场小于正横场 发射角，如图 13-5 所示；侧横场发射角可近似表示为： / d ，d 表示共振腔宽度；共振 腔的厚度通常只有 1μm 左右， 和波长同量级， 所以正横场发射角较大， 一般为 30°~40°；辐射场的发射角仍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的远场发射角； 第 4 页，共 12 页 精. 品. 可. 编. 辑. 学. 习. 资. 料. * * * * 欢. 迎. 下. 载.  图 13-5 半导体激光器的远场辐射特性 图 13-5（c） 半导体激光器的远场辐射特性 4、纵模特性 激光器二极管端面部分的反射的反馈导致建立单个或多个纵模特性； 由于通常同时存在几个纵模，半导体激光器的典型光谱如图 13-6 所示，其波长接近自发辐射峰值波长，因此，为了实现单模工作须改进激光器的结构，抑制主模以外的全部其他模； 第 5 页，共 12 页 精. 品. 可. 编. 辑. 学. 习. 资. 料. * * * *  5、偏振特性  图 13-6 半导体激光器的光谱图 欢. 迎. 下. 载. 由于半导体激光器共振腔面一般是晶体的解里面， 对常用的 GaAs 异质结激光器的 GaAs 晶面对 TE 模的反射率大于对偏振方向垂直于波导层的 TM 模的反射率，因此，半导体激光 器输出的激光偏振度很高，一般是 【仪器介绍】 P I // I I // I ； 半导体激光器试验装置如图 13-7 所示； 图 13-7 试验装置图 1、光学多道分析器：由光栅单色仪， CCD 接收单元，扫描系统，电子放大器， A/D 采集单元，运算机组成， 如图 13-7 所示；WGD-6 型光学多道分析器波长测量 X 围是 300-900nm ， CCD接收单元为 2048 个 第 6 页，共 12 页 精. 品. 可. 编. 辑. 学. 习. 资. 料. * * * * 欢. 迎. 下. 载.  图 13-8 光学原理图 M1：反射镜、 M2 ：反射式准光镜、 M3 ：物镜、 M4 ：转镜、 G：平面衍射光栅、 S1：入射狭缝、 P：观看窗（或出射狭缝） 入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度 X 围 0－ 2mm 连续可调，光源发出的光束进入 入射狭缝 S1、S1 位于反射式准光镜 M2 的焦面上，通过 S1 射入的光束经 M2 反射成平行光束投向平面光栅 G 上，衍射后的平行光束经物镜 M3 成像在 CCD上；其中 M2 、M3 的焦距为 302.5mm ；光栅 G 每毫米刻线 软件：其工作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设置区以与储备器信息提示区等组成，如图 13-9 和图 13-10 所示； 3、半导体激光器与可调电源：中心波长 650nm，＜ 5mW，电流 0～ 40mA连续可调； 4、光功率指示仪 :2 μW～ 200mW,6挡调剂； 5、光学升降台：升降 X 围40mm； 6、旋转台： 0～360°最小刻度值 1°； 第 7 页，共 12 页 精. 品. 可. 编. 辑. 学. 习. 资. 料. * * * * 欢. 迎. 下. 载.  图 13-9 WGD-6 软件工作界面 第 8 页，共 12 页 精. 品. 可. 编. 辑. 学. 习. 资. 料. * * * * 欢. 迎. 下. 载.  【试验内容与要求】  图 13-10 WGD-6 软件测量光谱图 半导体激光器的伏安特性和 P-I 特性 打开半导体激光器 LD 电源，调剂半导体激光器的准直透镜把光耦合进光功率指示仪的 接收器，用光功率指示仪读出半导体激光的输出功率；调剂半导体激光器注入电流 I 令其从 0 逐步增加到 40mA ，观看半导体激光器输出功率 P 的变化和 LD 电源电压表 V 的变化， 重复 2 次，将试验数据列表，并作出 V-I、P-I 曲线， V、P 为平均功率，并找出阈值电流； 第 9 页，共 12 页 精. 品. 可. 编. 辑. 学. 习. 资. 料. * * * * 欢. 迎. 下. 载.  半导体激光器的发散角 将半导体激光器置于旋转台中心，去掉激光器的准直透镜，使半导体激光器的光发散， 并让发散角最大的一面平行于旋转台面； 旋转探测器测量不同角度的光功率， 记录光功率指示仪所测得的输出值， 作出在不同的注入电流时， 其输出值随角度的变化曲线， 得到正横场发散角分布特点；将半导体激光器旋转 90°再测量侧横场发散角，绘制半导体激光器的远 场辐射特性； 半导体激光器的偏振度测量 在探测器前加入偏振片，将偏振片从 0°旋转到 180°，每隔 5°记录记录输出功率，运算偏振度 P； 第 10 页，共 12 页 精. 品. 可. 编. 辑. 学. 习. 资. 料. * * * * 欢. 迎. 下. 载.  半导体激光器的光谱特性测试 将半导体激光器 LD（ 650nm,5mW ）的光信号通过透镜 L 耦合进 WGD-6 光学多道分析 器的输入狭缝 S1，让光学多道分析器与运算机相连，从光栅单色仪输出的光信号通过 CCD 接受放大输出到运算机， 通过掌握软件的设置就绘出半导体激光器的谱线； 分析半导体激光 器的输入功率对光谱的影响； 半导体的激光器的输入功率对光谱的影响在这个试验中可以看作半导体激光的注入电流对光谱的影响！ 半导体激光器在不同注入电流下会进入不同的模式，肯定的电流 X 围内可能单模工作，电流变化后可能多模工作， 单模的光谱集中于一个波长邻近出现单峰， 多模的光谱出现多峰； 误差分析：（ 1）简单收到外界电信号等得干扰，导致试验数据有偏差； 第 11 页，共 12 页 【摸索问题】 半导体激光器为什么存在阈值电流？阈值电流与那些因素有关？ 半导体激光器又称激光二极管，二极管的 PN 结加正向电压时，可以有较大的正向扩散电流，即出现低电阻， 我们称

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