实验八 半导体激光器的光学特性测试
[实验目的]
1、 通过实验熟悉半导体激光器的光学特性。
2、 掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节。
3、 根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。
[实验仪器]
1、 半导体激光器及可调电源
2、 光谱仪
3、 可旋转偏振片
4、 旋转台
5、 光功率计
n
[实验原理]
1、半导体激光器的基本结构
至今，大多数半导体激光器用的是GaAs或Ga1-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起镜面作用，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，它可以与光纤传输线连接，如果设计成更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光路。
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，器件不会立即出现激光振荡。小电流时发射光大都来自自发辐射，光谱线宽在数百唉数量级。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，会出现从非受激发射到受激发射的突变。实际上能够
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
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，激光的阈值对应于：由受激发射所增加的激光模光子数(每秒)正好等于由散射、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
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达式：
（1）
图2. 激励电流
这里，是内量子效率，是发射光的真空波长，是折射率，是自发辐射线宽，是电子电荷，是光发射层的厚度，是行波的损耗系数，是腔长，为功率反射系数。
3、横膜和偏振态
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常数和横向电场分布，这些模就构成了半导体激光器中的横模。横膜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于结面方向分别成为侧横场和正横场。
辐射场的角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散角，如图3所示；侧横场发散角可近似表示为:，表示共振腔宽度。共振腔厚度通常只有左右，和波长同量级，所以正横场发射角较大，一般为300~400。辐射场的发散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。
图3 半导体激光器的发散角
半导体激光器共振腔面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于波导层的TM模吸收越大。这就使得TE模增益大，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。
P （2）
4、纵模特性
激光二极管端面部分反射的光反馈导致建立单个或多个纵光学模。由于它类似于法布里—珀罗干涉仪的平行镜面，激光器的端面也常称为法布里—珀罗面。当平行面之间为半波长的整数倍时，在激光器内形成驻波。模数m可由波长的数值得出。
（3）
式中， L是两端面之间的距离，n是激光器材料的折射率，是发射在真空中的波长，模的间隔由确定：
（4）
对应,模的间隔为
（5）
半导体激光器典型的光谱如图4所示；通常同时存在几个纵模，其波长接近自发辐射峰值波长。GaAS激光器的模间间隔的典型值为为了实现单模工作，必须改进激光器的结构，抑制主模以外的所有其他模。
图4 半导体激光器的光谱
[实验步骤和内容]
实验中所使用的半导体激光器是可见光半导体激光器，最大功率为5mw, 中心波长为650nm左右。
1、半导体激光器的输出特性
实验光路如图5所示；用电流表（mA）观察半导体激光器LD的注入电流，调节半导体激光器的准直透镜L把光耦合进光电探测器PD，用光功率计读出半导体激光的输出功率。把半导体激光器注入电流I从零逐渐增加到85mA，观察半导体激光器输出功率P的变化，重复2次，将试验数据列表，并做出P—I曲线，P为平均功率。
PD
2、半导体激光器的发散角测定
图7 半导体激光器的偏振度测量
测定半导体激光发散角的试验装置如图6所示；半导体激光器置于转盘中心，硅光二极管PD距离半导体激光器LD为L，当转盘处于不同角度时，记下光功率计所测到的输出值，做出在不同的注入半导体激光器电流时，其输出值随角度变化的曲线。
3、半导体激光器的偏振度测量
测量半导体激光器的偏振度的光路如图7所示，偏振器是带有角度读数的旋转偏振片，读出偏振片处于不同角度时，对应的半导体激光器的输出值，将实验值列表，并计算出其偏振度。
4、 半导体激光远场光斑的观测
观察半导体远场光斑的光路如图8所示；透镜L是带可变光栏的短焦距的组合透镜，G是毛玻璃屏，当LD是可见光的半导体激光器时，可以用肉眼直接在毛玻璃屏上观察光斑图样。若LD是近红外的半导体激光器，可以用上转换片观察光斑图样，也可以用红外观测仪观察。
图8 半导体激光远场光斑的观测
5、半导体激光器的光谱特性测试
图9所示的是测量半导体激光器的光谱特性的光路。半导体激光器LD的光信号通过透镜L耦合进光栅光谱仪的输入狭缝SL，让光栅光谱仪与计算机相连，从光栅单色仪输出的光讯号通过光电倍增管放大输出到计算机，调节光谱仪控制软件的设置就绘出半导体激光器的谱线。
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