半導(dǎo)體激光器實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 實(shí)驗(yàn)13 半導(dǎo)體激光器實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 通過實(shí)驗(yàn)熟悉半導(dǎo)體激光器的電學(xué)特性、光學(xué)特性。2. 掌握半導(dǎo)體激光器耦合、準(zhǔn)直等光路的調(diào)節(jié)。3. 根據(jù)半導(dǎo)體激光器的光學(xué)特性考察其在光電子技術(shù)方面的應(yīng)用。4. 掌握WGD-6光學(xué)多道分析器的使用【儀器用具】半導(dǎo)體激光器及可調(diào)電源、WGD-6型光學(xué)多道分析器、可旋轉(zhuǎn)偏振片、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、多功能光學(xué)升降臺(tái)、光功率指示儀【實(shí)驗(yàn)原理】1、半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的全稱為半導(dǎo)體結(jié)型二極管激光器，也稱激光二極管，激光二極管的英文名稱為laser diode，縮寫為LD。大多數(shù)半導(dǎo)體激光器用的是GaAs或GaAlAs材料。P-N結(jié)激光器的基本結(jié)構(gòu)和基本原理如

2、圖13-1所示，P-N結(jié)通常在N型襯底上生長P型層而形成。在P區(qū)和N區(qū)都要制作歐姆接觸，使激勵(lì)電流能夠通過，這電流使得附近的有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（載流子反轉(zhuǎn)），還需要制成兩個(gè)平行的端面起鏡面作用，為形成激光模提供必需的光反饋。圖13-1（a） 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)圖13-1（b） 半導(dǎo)體激光器工作原理圖2、半導(dǎo)體激光器的閾值條件閾值電流作為各種材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)的一個(gè)表達(dá)式：這里， 是內(nèi)量子效率，是發(fā)射光的真空波長，n是折射率， 是自發(fā)輻射線寬，e是電子電荷，D是光發(fā)射層的厚度， 是行波的損耗系數(shù)，L是腔長，R為功率反射系數(shù)。圖13-2半導(dǎo)體激光器的P-I特性圖13-3 不同溫度下半導(dǎo)體激光器

3、的發(fā)光特性3、伏安特性伏安特性描述的是半導(dǎo)體激光器的純電學(xué)性質(zhì)，通常用V-I曲線表示。V-I曲線的變化反映了激光器結(jié)特性的優(yōu)劣。與伏安特性相關(guān)聯(lián)的一個(gè)參數(shù)是LD的串聯(lián)電阻。對(duì)V-I曲線進(jìn)行一次微商即可確定工作電流（I）處的串聯(lián)電阻（dV/dI）。對(duì)LD而言總是希望存在較小的串聯(lián)電阻。圖13-4典型的V-I曲線和相應(yīng)的dV/dI曲線3、橫模特性半導(dǎo)體激光器的共振腔具有介質(zhì)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，所以在共振腔中傳播光以模的形式存在。每個(gè)模都由自己的傳播系數(shù)和橫向電場分布，這些模就構(gòu)成了半導(dǎo)體激光器中的橫模。橫模經(jīng)端面出射后形成輻射場。輻射場的角分布沿平行于結(jié)面方向和垂直結(jié)面方向分別成為正橫場和側(cè)橫場。輻射場的

4、角分布和共振腔的幾何尺寸密切相關(guān)，共振腔橫向尺寸越小，輻射場發(fā)射角越大。由于共振腔平行于結(jié)面方向的寬帶大于垂直于結(jié)面方向的厚度。所以側(cè)橫場小于正橫場發(fā)射角，如圖13-5所示；側(cè)橫場發(fā)射角可近似表示為：，d表示共振腔寬度。共振腔的厚度通常只有1m左右，和波長同量級(jí)，所以正橫場發(fā)射角較大，一般為30°40°。輻射場的發(fā)射角還和共振腔長度成反比，而半導(dǎo)體激光器共振腔一般只有幾百微米，所以其遠(yuǎn)場發(fā)射角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體激光器的遠(yuǎn)場發(fā)射角。圖13-5 半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場輻射特性圖13-5（c） 半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場輻射特性4、縱模特性激光器二極管端面部分的反射的反饋導(dǎo)致建立單個(gè)或多個(gè)縱模特性

5、。由于通常同時(shí)存在幾個(gè)縱模，半導(dǎo)體激光器的典型光譜如圖13-6所示，其波長接近自發(fā)輻射峰值波長，因此，為了實(shí)現(xiàn)單模工作須改進(jìn)激光器的結(jié)構(gòu)，抑制主模以外的所有其他模。圖13-6 半導(dǎo)體激光器的光譜圖5、偏振特性因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器共振腔面一般是晶體的解里面，對(duì)常用的GaAs異質(zhì)結(jié)激光器的GaAs晶面對(duì)TE模的反射率大于對(duì)偏振方向垂直于波導(dǎo)層的TM模的反射率，因此，半導(dǎo)體激光器輸出的激光偏振度很高，一般是?！緝x器介紹】半導(dǎo)體激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖13-7所示。圖13-7 實(shí)驗(yàn)裝置圖1、光學(xué)多道分析器：由光柵單色儀，CCD接收單元，掃描系統(tǒng)，電子放大器，A/D采集單元，計(jì)算機(jī)組成，如圖13-7所示。WGD-

6、6型光學(xué)多道分析器波長測量范圍是300-900nm，CCD接收單元為2048個(gè)圖13-8 光學(xué)原理圖M1：反射鏡、M2：反射式準(zhǔn)光鏡、M3：物鏡、M4：轉(zhuǎn)鏡、G：平面衍射光柵、S1：入射狹縫、P：觀察窗（或出射狹縫）入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍02mm連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫S1、S1位于反射式準(zhǔn)光鏡M2的焦面上，通過S1射入的光束經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡M3成像在CCD上。其中M2、M3的焦距為302.5mm；光柵G每毫米刻線600條，閃耀波長550nm。2、WGD-6軟件：其工作界面主要由菜單欄、主工具欄、輔工具欄、工作區(qū)、狀態(tài)欄、

7、參數(shù)設(shè)置區(qū)以及存儲(chǔ)器信息提示區(qū)等組成，如圖13-9和圖13-10所示。3、半導(dǎo)體激光器及可調(diào)電源：中心波長650nm，5mW，電流040mA連續(xù)可調(diào)。4、光功率指示儀:2W200mW,6擋調(diào)節(jié)。5、光學(xué)升降臺(tái)：升降范圍>40mm。6、旋轉(zhuǎn)臺(tái)：0360°最小刻度值1°。 圖13-9 WGD-6軟件工作界面圖13-10 WGD-6軟件測量光譜圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求】1. 半導(dǎo)體激光器的伏安特性和P-I特性打開半導(dǎo)體激光器LD電源，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的準(zhǔn)直透鏡把光耦合進(jìn)光功率指示儀的接收器，用光功率指示儀讀出半導(dǎo)體激光的輸出功率。調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器注入電流I令其從0逐漸增加到40m

8、A，觀察半導(dǎo)體激光器輸出功率P的變化和LD電源電壓表V的變化，重復(fù)2次，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表，并作出V-I、P-I曲線，V、P為平均功率，并找出閾值電流。2. 半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角將半導(dǎo)體激光器置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心，去掉激光器的準(zhǔn)直透鏡，使半導(dǎo)體激光器的光發(fā)散，并讓發(fā)散角最大的一面平行于旋轉(zhuǎn)臺(tái)面。旋轉(zhuǎn)探測器測量不同角度的光功率，記錄光功率指示儀所測得的輸出值，作出在不同的注入電流時(shí)，其輸出值隨角度的變化曲線，得到正橫場發(fā)散角分布特點(diǎn)。將半導(dǎo)體激光器旋轉(zhuǎn)90°再測量側(cè)橫場發(fā)散角，繪制半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場輻射特性。3. 半導(dǎo)體激光器的偏振度測量在探測器前加入偏振片，將偏振片從0°旋轉(zhuǎn)到180

9、°，每隔5°記錄記錄輸出功率，計(jì)算偏振度P。4. 半導(dǎo)體激光器的光譜特性測試將半導(dǎo)體激光器LD（650nm,<5mW）的光信號(hào)通過透鏡L耦合進(jìn)WGD-6光學(xué)多道分析器的輸入狹縫S1，讓光學(xué)多道分析器與計(jì)算機(jī)相連，從光柵單色儀輸出的光信號(hào)通過CCD接受放大輸出到計(jì)算機(jī)，通過控制軟件的設(shè)置就繪出半導(dǎo)體激光器的譜線。分析半導(dǎo)體激光器的輸入功率對(duì)光譜的影響。半導(dǎo)體的激光器的輸入功率對(duì)光譜的影響在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中可以看作半導(dǎo)體激光的注入電流對(duì)光譜的影響！半導(dǎo)體激光器在不同注入電流下會(huì)進(jìn)入不同的模式，一定的電流范圍內(nèi)可能單模工作，電流變化后可能多模工作，單模的光譜集中于一個(gè)波長附近呈現(xiàn)單峰，多模的光譜呈現(xiàn)多峰。 誤差分析：（1）容易收到外界電信號(hào)等得干擾，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有偏差?！舅伎紗栴}】1. 半導(dǎo)體激光器為什么存在閾值電流？閾值電流與那些因素有關(guān)？半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管，二極管的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，可以有較大的正向擴(kuò)散電流，即呈現(xiàn)低電阻， 我們稱PN結(jié)導(dǎo)通；PN結(jié)導(dǎo)通了二極管才開始工作，因此存在閾值電流。與二極管的材料、溫度有關(guān)。2. 與氣體激光器相比，半導(dǎo)體激光器具有那些優(yōu)缺點(diǎn)？優(yōu)：價(jià)格便宜體積小可以做高速調(diào)制功率可以很方便的進(jìn)行各種調(diào)制