半導體激光器實驗報告

1、實驗13半導體激光器實驗【實驗目的】1. 通過實驗熟悉半導體激光器的電學特性、光學特性。2. 掌握半導體激光器耦合、準直等光路的調節(jié)。3. 根據半導體激光器的光學特性考察其在光電子技術方面的應用。4. 掌握WGD-6光學多道分析器的使用【儀器用具】半導體激光器及可調電源、WGD-6型光學多道分析器、可旋轉偏振片、旋轉臺、多功能光學升降臺、光功率指示儀【實驗原理】1、半導體激光器的基本結構半導體激光器的全稱為半導體結型二極管激光器，也稱激光二極管，激光二極管的英文名稱為laserdiode，縮寫為LD。大多數半導體激光器用的是GaAs或GaAIAs材料。P-N結激光器的基本結構和基本原理如圖13

2、-1所示，P-N結通常在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，使激勵電流能夠通過，這電流使得附近的有源區(qū)內產生粒子數反轉(載流子反轉)，還需要制成兩個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)半導體激光器結構PP判4嚴<kiAr(a)*二a折射率圖13-1（b）半導體激光器工作原理圖2、半導體激光器的閾值條件閾值電流作為各種材料和結構參數的函數的一個表達式：8兀en2AyDa+1ln(-1)這里，"Q是內量子效率，九0是發(fā)射光的真空波長，n是折射率，Ay是自發(fā)輻射線寬，e是電子電荷，D是光發(fā)射層的厚度，a是行波的損耗系數，L是腔長，

3、R為功率反射系數。激光器穽動11流哽澈輜射（掘光輸出自發(fā)編射（熒光輸出）圖13-2半導體激光器的P-I特性TdilJth2Ith3電流I（mA）圖13-3不同溫度下半導體激光器的發(fā)光特性3、伏安特性伏安特性描述的是半導體激光器的純電學性質，通常用V-I曲線表示。V-I曲線的變化反映了激光器結特性的優(yōu)劣。與伏安特性相關聯的一個參數是LD的串聯電阻。對V-I曲線進行一次微商即可確定工作電流（I）處的串聯電阻（dV/dl）。對LD而言總是希望存在較小的串聯電阻。3、橫模特性半導體激光器的共振腔具有介質波導的結構，所以在共振腔中傳播光以模的形式存在。每個模都由自己的傳播系數0和橫向電場分布，這些模就構

4、成了半導體激光器中的橫模。橫模經端面出射后形成輻射場。輻射場的角分布沿平行于結面方向和垂直結面方向分別成為正橫場和側橫場。輻射場的角分布和共振腔的幾何尺寸密切相關，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面方向的寬帶大于垂直于結面方向的厚度。所以側橫場小于正橫場發(fā)射角，如圖13-5所示；側橫場發(fā)射角可近似表示為:0=X/d，d表示共振腔寬度。共振腔的厚度通常只有1“m左右，和波長同量級，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，而半導體激光器共振腔一般只有幾百微米，所以其遠場發(fā)射角遠遠大于氣體激光器的遠場發(fā)射角。1.0-O

5、.S-060.4qLso輻射角B(度)e圖13-5半導體激光器的遠場輻射特性諧握腔兩閩圖13-5(c)半導體激光器的遠場輻射特性4、縱模特性激光器二極管端面部分的反射的反饋導致建立單個或多個縱模特性。由于通常同時存在幾個縱模，半導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,為了實現單模工作須改進激光器的結構，抑制主模以外的所有其他模。波長Ilr839841S43X(ntn)圖13-6半導體激光器的光譜圖5、偏振特性因為半導體激光器共振腔面一般是晶體的解里面，對常用的GaAs異質結激光器的GaAs晶面對TE模的反射率大于對偏振方向垂直于波導層的TM模的反射率，因此，半導

6、體激光I-I器輸出的激光偏振度很咼，一般是p=丄n0.9。I+1/丄半導體激光器實驗裝置如圖13-7所示?！緝x器介紹】圖13-7實驗裝置圖1、光學多道分析器：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，計算機組成，如圖13-7所示。WGD-6型光學多道分析器波長測量范圍是300-900nm,CCD接收單元為2048個圖13-8光學原理圖M1:反射鏡、M2：反射式準光鏡、M3：物鏡、M4：轉鏡、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，光源發(fā)出的光束進入入射狹縫S1、S1位于反射式準光鏡M2的焦面上，

7、通過S1射入的光束經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、參數設置區(qū)以及存儲器信息提示區(qū)等組成，如圖13-9和圖13-10所示。3、半導體激光器及可調電源：中心波長650nm,V5mW，電流040mA連續(xù)可調。4、光功率指示儀:2調200mW,6擋調節(jié)。5、光學升降臺：升降范圍40mm。6、下拉菓單旋轉臺：0360°最小刻度值1°。主工具攔:TPfit廠和jTg百吋而嘗奇吐

8、理*豹燒辦用蒯Uf*hiTiwd町殺z世m(xù)遜*z即和-就謹-蹴5ft:m.Oh"1X4J"siSiS®j曜刪將iilitmus中方丈T儺衣櫬無*|J|3M|電|妙式-JlrTrm如總l伽述10：齋選擇區(qū)嗓湍曉詣里豔寧a囂)rIi!e.杯存儲舉創(chuàng)1息提示區(qū)丿*:rLj參數設置區(qū)）”輔工具町圖13-9WGD-6軟件工作界面k-丘掩剛刪環(huán)叵訓勺滋QDil：MCcdSystem-ccd4nPexe:/件I)sft.irriK)弟気際e謁Z弔帥I)649.47iun-dJ34104啟小值-I所有存儲器勺數値顯示框片峰廠咎廠嗚容-246?+3tii|B30aOmII蛙：H丈g

9、民fy七陽orrij.uj：nkr.n-.r.i?h:"丫''-井片：K-1K-2R£R-4R點陸E-7K-8RTu-1n>SstartJ匯廈數舟顯示SOco530.00WO0062D.00640.M6WCO)700.00田I#囤旬訓知胡囤金厲兄口屮晳別番莫面c：啟呼半導.WGL-5-"CcdSy.CH.”ZU7圖13-10WGD-6軟件測量光譜圖【實驗內容與要求】1. 半導體激光器的伏安特性和P-I特性打開半導體激光器LD電源，調節(jié)半導體激光器的準直透鏡把光耦合進光功率指示儀的接收器，用光功率指示儀讀出半導體激光的輸出功率。調節(jié)半導體激光器

10、注入電流令其從0逐漸增加到40mA,觀察半導體激光器輸出功率P的變化和LD電源電壓表V的變化，重復2次，將實驗數據列表，并作出V-l、P-I曲線，V、P為平均功率，并找出閾值電流。UJ曲線62.i.2.2N2.81.6141.2118a6.i.n_2n_o4208642086420222111111/mAP-I曲線guvd2. 半導體激光器的發(fā)散角將半導體激光器置于旋轉臺中心，去掉激光器的準直透鏡，使半導體激光器的光發(fā)散,并讓發(fā)散角最大的一面平行于旋轉臺面。旋轉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，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

11、。將半導體激光器旋轉90°再測量側橫場發(fā)散角，繪制半導體激光器的遠場輻射特性。遠場輻射特性56£1tv11/B-120-90-60-3003060901203. 半導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°旋轉到180°，每隔5°記錄記錄輸出功率,計算偏振度P。偏振角度01020304050607080901001101201301401501601701804.半導體激光器的光譜特性測試將半導體激光器LD（650nm,<5mW）的光信號通過透鏡L耦合進WGD-6光學多道分析器的輸入狹縫S1,讓光學多道分析器與計算機相連，

12、從光柵單色儀輸出的光信號通過CCD接受放大輸出到計算機，通過控制軟件的設置就繪出半導體激光器的譜線。分析半導體激光器的輸入功率對光譜的影響。半導體的激光器的輸入功率對光譜的影響在這個實驗中可以看作半導體激光的注入電流對光譜的影響！半導體激光器在不同注入電流下會進入不同的模式，一定的電流范圍內可能單模工作,電流變化后可能多模工作,單模的光譜集中于一個波長附近呈現單峰，多模的光譜呈現多峰。誤差分析：（1）容易收到外界電信號等得干擾，導致實驗數據有偏差?！舅伎紗栴}】1. 半導體激光器為什么存在閾值電流？閾值電流與那些因素有關？半導體激光器又稱激光二極管，二極管的PN結加正向電壓時，可以有較大的正向擴散電流，即呈現低電阻，我們稱PN結導通；PN結導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。2. 與氣體激光器相比，半導體激