欧洲杯-米乐M6官方网站半导体激光器特性测量

　　

　　半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，常用工作物质有砷化 镓（GaAs） 、硫化镉（CdS） 、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、 电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、 双异质结等几种。半导体激光器发射激光必须具备三个基本条件： （1）产生足够 的粒子数反转分布； （2）合适的谐振腔起反馈作用，使受激辐射光子增生，从而 产生激光震荡； （3）满足阀值条件，使光子的增益≥损耗。半导体激光器工作原 理是用欧洲杯-米乐M6官方网站某种激励方式，将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，在自发辐射 和受激辐射的作用下，将有某一频率的光波产生（用半导体晶体的解理面形成两 个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔） ，在腔内传播，并被增益介质逐渐增 强、放大，输出激光。

　　3.2 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，器件不会立即呈现激光振荡。小电流 时发射光大都是自发辐射，光谱线宽在数百埃米数量级。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，会出现从非受激光 射到受激发射的突变，实际上只能观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 激光射所增加的激光模光子数（每秒）正好等于有散射、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：

　　半导体激光器的光谱特性曲线 分析：当输入电流未达到阈值电流时，其光谱图的形状大致相同，成类高斯 分布。输入电流越大，峰值越大，半高宽越小。这是由于输入电流未达到阈值电 流时，光产生以自发辐射为主导，光谱能量分散，导致输出光的谱线范围较宽。 当输入电流达到阈值电流后，出射光强度和单色性发生突变，光功率值迅速 增大， 半高宽变小， 其光谱图成类脉冲函数图像。 因为输入电流达到阈值电流后， 半导体激光器的光产生由自发辐射为主导转变为受激辐射主导。 此时输出光能量 高，单色性好，偏振度高。 在驱动电流为 55mA、65mA、80mA 时，当驱动电流逐渐增大时，光谱特性 曲线的中心波长位置逐渐右移，中心波长依次增大（即红移现象） ，光谱波峰随 着驱动电流的增大而增大。中心波长在 650nm 附近。可理解：随着驱动电流的 增加，激光器有源区的粒子数反转增强，具有高 Q 值的模的功率增加，这些模 的频率接近于增益谱特性的峰值附近，因而对应光谱的峰宽度减小。Q 值上升， 光功率集中到几个占优势的波模。当激发较强时，激光器工作于多模振荡模式， 表现为空间上产生多纵模振荡。当频率为 的纵模在腔内形成稳定驻波，在波腹 光强最大，但增益系数（反转集居数）最小；在波节光强最小，但增益系数（反

　　开关,此开关位于激光电源的后面）,通过电流调节旋钮来控制输出电流的大小， 使半导体激光器输出激光。 注意：半导体激光器的 p-n 结非常薄，极易被击穿，所以在开、关半导体激 光器的电源时，一定要防止浪涌电流的产生，否则将有可能损坏半导体激光器。 开启时，先开电源开关，再开电流开关。 关闭时，先将电流调节旋钮逆时针旋转到底，使输出电流最小（最小输出电 流大于 0mA，切勿用力调节旋钮） ，再关电流开关，最后关闭电源开关。 （3）调节激光器前面的准直透镜，使激光束经过准直后在工作范围内光斑的 大小、形状变化不大。然后调节激光器支架上的仰俯螺钉，使激光束平行于光学

　　半导体激光器电流-功率输出特性曲线 分析：由图可知，该激光器的阈值大概在55mA左右。当激光器的正向偏置 有注入电流时就有光输出，一开始输出光效率很低（即曲线的斜率很小） 欧洲杯-米乐M6官方网站， 这一阶段是自发辐射发光阶段。注入电流增加到阈值Ith后，发光效率开始增 加， P-I曲线开始向上弯曲成直线， 表明受激辐射发光开始起作用并逐渐加大 比重，载流子复合转化为受激光辐射，即粒子数反转达到光子的增益=损耗 时，光子才能获得净增益并在腔内振荡激射。此后，光输出功率随电流线. 半导体激光器输出激光偏振度的测量： 光功率最大值 （uW） 1.24 1.70 4.80 125.6 296 光功率最小值 （uW） 0.61 0.69 1.20 19.4 47 0.340540541 0.422594142 0.600000000 0.732413793 0.725947522 偏振度

　　体激光器中的横膜。横膜经端面出射后形成辐射场。辐射场的角度分布沿平行于 结面方向和垂直于结面方向分别成为侧横场和正横场。 辐射场的角度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射角，如图 3 所示；侧横场发射角可近似表示为： θ≈λ/d。所以正横场发射角较大，一般为 30~40 度。辐射场的发射角还和共振腔 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。

　　半导体激光器共振腔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 模首先产生受激光发射，反过来又抑制了 TM 模；另一方面形成半导体激光 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与波导层的 TM 模吸 收越大。这就使得 TM 模增益很大，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。

　　3.1 半导体激光器的基本结构 半导体激光器大多数用的是 GaAs 或 Gal-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其镜面作用，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，它可以与光纤传输连成线，如果设计成 更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光电路。