半导体激光器实验

半导体激光器实验半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，它是1962年研制成功的。其基本结构原则上仍由工作物质、谐振腔和激励能源组成。半导体激光器主要工作物质有III—V族化合物半导体GaAs（砷化镓）、MoSb（锑化钼）等；II—W族化合物半导体ZS（硫化锌）、CdS（硫化镉）等。一般采用半导体晶体的n解理面作为反射镜构成谐振腔。常用的激励能源有电注入、光激励、高能电子束激励和碰撞电离激励等装置。半导体激光器既有单色性好、高亮度的特点，又具有体积小、重量轻、结构简单、效率高、寿命长等优点，有着广泛的应用前景。这类器件的发展，从一开始就和光通讯技术紧密结合在一起，它是当前通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信光源，预期在光信息处理和光存储、光计算机和全息照相以及测距、雷达等方面都将得到重要的应用。可以预料，在飞速发展的激光光纤通讯技术中，半导体激光器将发挥出它的巨大潜力。一、实验目的1．了解半导体激光器的基本原理和光学特性；2．掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节；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。二、实验原理1、半导体激光器的基本结构最简单的半导体激光器由一个薄有源区、p型和n型限制层构成，其核心是pn结，pn结激光器的基本结构如图1所示。pn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，该电流使结区附近的有源区内产生粒子数反转。此外还需制作两个平行的端面起镜面作用，一般取晶体的解理面，为形成激光模提供必需的光反馈。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。图1半导体激光器的基本结构2、半导体激光器的阈值条件：半导体中光学过程的物理图像为：一方面，通过载流子的注入，使得半导体中获得很多载流子，这些电子一空穴对辐射复合，便产生光；另一方面，光在半导体中传播时，会引起光的损耗。前者是产生光，称为光的增益，后者是吸收光，称为光的损耗。只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。对于半导体p-n结电注入来说，增益系数g同注入到半导体中的电流密度J的关系为：g=0Jm(1)式中，0为增益因子，m为与结构有关的常数。激光器的阈值条件为：g=Q+丄InV(2)2LRR12其中，«为吸收系数，L为腔长，R和R为腔端面的反射系数。上式右边第一项12为半导体内部的光吸收引起的损耗，上式右边的第二项为端面透射损耗，它是光波从端面透射出半导体外引起的端面损耗。由⑴和⑵式可得激光器的阈值电流密度为：1亠亠Jm=(a+In)th02LRR12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。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，会出现从自发辐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，在光功率一激励电流(P-I)曲线上可以观察到注入电流达到并超出阈值电流后，输出功率陡峭上升。我们把陡峭部分外延，将延长线和电流轴的交点定义为阈值电流Ith。3、横模特性光源的光束分布在光通讯中直接影响到光耦合到光纤中去的技术选择，并决定耦合效率，因此，研究光束的空间分布具有重要意义。人们通常将半导体激光器输出的光场分布用近场和远场特性来描述。近场分布是指光强在解理面上的分布，它往往和激光器的侧向模式联系在一起。远场特性是指距输出腔面一定距离的光束在空间的分布，它常常与光束的发散角的大小联系在一起。由于半导体激光器的谐振腔具有介质波导的结构，因此在谐振腔中传播光以模的形式存在。沿谐振腔轴向的光强分布是纵模，垂直于该方向的分布是横模。横模经端面出射后形成辐射场，其分布沿平行于结面方向和垂直于结面方向分别称为侧横场和正横场。则发散角在两个方向上分别为平行于pn结的发散角〃和垂直于pn结的发散角0丄，其大小定义为两个半功率强度点处的全角宽。图2是一个半导体激光器的典型远场辐射图。z图2半导体激光器远场辐射图通常的半导体激光器发出的是一束椭圆形的光束，原因是辐射场的角分布和谐振腔的几何尺寸密切相关。谐振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大。半导体激光器的谐振腔相当于一个矩形波导腔，其垂直于结平面方向的厚度小于平行于结平面方向的宽度，故正横场的发散角0丄要大于侧横场的发散角0〃，如图3所示。半导体激光器由于有源层模截面的不对称和很小的线度，其远场光斑既不对称，又具有很大的光束发散角，这是因其发射区域小，引起了衍射效应所致。侧横场发散角可近似表示为九/d，d表示共振腔宽度。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，所以其远场发散角远远大于气体激光器和固体激光器的远场发散角。发散角光功率图3半导体激光器的发散角半导体激光器谐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谐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。偏振度计算公式为：I-1P——maxminI+1maxmin4、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一珀罗干涉仪的平行镜面，激光器的端面也常称为法布里一一珀罗面。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。2Lnm—九O式中，L是两端面之间的距离，n是激光器材料的折射率，几O是发射在真空中的波长，模的间隔由dm/弘O确定:dmd九02Ln2Ldn+九2九00d九0⑹对应dm=-1，模的间隔dd0为：d九二一九2°——°2L（n—九dn/d九）（7）00（7）半导体激光器光谱如图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。当工作电流小于阈值电流之前，发射的光谱较宽，光谱中包含许多个纵模。随着驱动电流的增加，谐振腔的选模作用增强，发射光谱变窄。电流达到阈值电流时，激光管开始受激辐射，发出激光，光谱图明显变窄。GaAS激光器的纵模间隔的典型值为d°〜3Ao。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它模。图4超过阈值电流时的发射光谱三、实验仪器半导体激光器及可调电源，多功能光学升降台，旋转台，可旋转偏振片，光功率指示仪及接收器，WGD-6光学多道分析器WGD-6型光学多道分析器基本原理WGD-6型光学多道分析器，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，计算机组成。光学系统采用C-T型，如图5所示。Ml:反射镜、M2:准光镜、M3:物镜、M4:转镜、G:平面衍射光栅、S1:入射狭缝、S2:CCD接收位置、S3:观察窗(或出射狭缝)入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0—2mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝Sl,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S2上。WGD-6型光学多道分析器的使用接通电源前，认真检查接线是否正确。转换开关检查转换开关的位置，确认是否是工作位置，若CCD接收，请将扳手放在“CCD”档；若观察谱线，可将旋钮指示停在“观察”档。入射狭缝S1的调整狭缝为直狭缝，宽度范围0〜2mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大,反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。为延长使用寿命，调节时注意最大不超过2mm，不使用时，狭缝最好开到0.1〜0.5mm左右。四'软件指南(由于纸面灰度无法显示软件彩图颜色，请对照计算机阅读软件使用指南)4.1工作界面介绍进入系统后，马上显示工作界面，同时弹出一个对话框让用户确认是否重新初始化。如果选择“是”，则初始化波长位置回到300nm处；如果选择“否”，则确认当前的波长位置，并进行初始化。工作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设置区以及存储器信息提示区等组成，如图6。下拉菜单“立杵ID亲折⑴Wftrnai羞垃盘畫I实gj|idH”；遊即r-ft*.平堀媲JWiB:」工作存储、器选择区4093»数设置区J.工作区j?as録邑F示呂ERR只风E鲨E畫呂E艮R■■□□□□□■□■『1-2Z;卡：：DHMBBBBD&字储器信息提示区丿辅工具栏:rj-~i'F状态栏一LTWitw:WX/wi:X».am-9KI.QuM.3S.-15HIItmrL-1-k.yDTZOOZ图6工作界面4.1.1菜单栏F面简单介绍菜单栏中各菜单的功能:1.“文件”菜单♦新建清除当前实验的所有数据打开打开个已经存在的数据文件♦保存把所选择的存储器中的数据保存到文件中♦打印设置设置打印机的属性及打印参数♦打印预览显示打印时文件的外观♦打印打印当前的谱线及数据♦退出退出WGD—6控制处理系统2.“信息”菜单♦信息输入输入米集环境及其它信息♦网格显示网格坐标♦显示中心波长位置在显示的坐标系统上显示中心位置3.“运行”菜单♦实时米集在当前位置循环米集数据并显示二维显示米集当前的谱线，并在二维坐标中显示模拟照相模拟摄谱仪，把底片效果显示在屏幕上停止停止实时采集手动前进波长向长波方向移动指定的间隔♦手动后退波长向短波方向移动指定的间隔♦背景记忆♦清除背景记忆♦检索♦重新初始化4.“数据处理”菜单读取谱线数据读取指定谱线上各点的数据读取坐标点数据读取坐标面上各位置的坐标扩展对谱线进行局部放大取消所有扩展取消本次实验的所有扩展手动定标使用标准谱标定波长自动定标使用定标公式进行定标通道/波长转换通道/波长两种显示方式中变换寻峰检索峰、谷的位置显示峰谷在谱线上标记峰谷的标志显示峰谷数据显示谱线上峰谷对应的信息显示方式选择显示峰谷信息的方式平滑平滑选定的谱线计算对设置的谱线进行计算显示根据设置显示谱线清除数据清除选定的数据刷新刷新屏幕“数据图形处理”菜单波长修正修正波长♦光栅根据所使用的光栅，选择相应的光栅参数工具栏软件提供了两个工具栏，每个工具栏由一组工具按钮组成，分别对应某些菜单项或菜单命令的功能，用户只需用鼠标左键单击按钮，即可执行相应的操作或功能。工作区工作区是用户绘制、浏览、编辑谱线的区域。工作区可同时显示多条谱线。状态栏状态栏用于反映当前的工作状态。另外，当定点设备指向某一菜单项或按钮时，会在状态栏显示相应的功能说明。参数设置区设置工作方式、工作范围及工作状态等参数。4.1.6存储器信息提示区显示各存储器的信息。4.1.7存储器选择及波长显示栏选择当前存储器，显示当前中心波长位置。4.2功能简介4.2.1设置工作参数曝光时间一设置采集谱线的积分时间（1—88挡可设）平均次数一对谱线数据进行平均的次数（1—10次）累加次数一对谱线进行多次采集进行累加的次数（1—10次）最大值一坐标显示的最大数值最小值一坐标显示的最小数值R-1R-2R-3R-4R-5R-6R-7R-BR-9R-104.2.2存储器信息在存储器信息显示区中显示了各存储器的主要信息：存储器：下面的R-1、R-2.…分别代表10个不同的存jT储^器o颜色：点击颜色框可以改变相应存储器的画线颜色数据：可以清除相应存储器中的数据显示：“改变相应存储器中的谱线显示属性（显示或不显示）4.2.3当前存储器图7存储器信息“当前存储器”下拉列表框可选择当前工作存储器。其右侧的按钮用来改变存储器的环境信息。系统时刻监测波长位置的移动，并在“中心波长”提示框中显示当前中心波长位置。工非存馆品谱凝称中业波栓方式=E▼|™.oo^||通道方弍手动前进移训耳距|1U二|磁佰点：删期1：654.6图8当前存储器4.2.4信息及视图管理4.2.4.1采集信息下拉菜单：信息一信息输入“工作存储器”列表框右侧的按钮“”执行该命令后，系统弹出如图9所示的“环境信息”对话框。环境信息召存储器选择I存储器-1寸诸线名称：..............确定j图9环境信息用户在“存储器”下拉列表框中选择某一存储器，向“谱线名称”编辑框中输入相应的信息。然后，单击“确定”按钮即可将信息保留。此时，工作区上方的“存储器”下拉列表框中将显示已输入的信息。单击该列表框右侧的按钮，可对已输入的信息进行修改。424.2网格下拉菜单：信息/视图f显示网格工具栏：辅工具栏一_|执行该命令后，工作区将显示网格坐标，网格的宽度和高度将随横、纵坐标范围的变化而自动调整（网格线总是落在相应的整值点上）。再次操作将取消网格坐标。424.3显示中心波长位置下拉菜单：信息f显示中心波长工具栏：辅工具栏f_|当选择该项时，在谱线上数据点处，画出一个圆作为标志。再次操作将取消加强显示。4.2.5运行4.2.5.1实时采集下拉菜单：工作f实时采集工具栏：主工具栏f实时执行该命令后，系统将循环采集数据并显示，把数据存到工作存储器中。如果该存储器中已经有数据，系统会提示是否覆盖该数据。425.2三维显示下拉菜单：工作f三维显示工具栏：主工具栏f三维执行该命令后，系统弹出如图10所示的对话框。通过设置参数后，点击“开始”按钮进行三维采集。在采集的过程中，点击“停止”按钮，将终止三维采集。点击“关闭”按钮，关闭三维显示窗口。时间间隔：设置采集两次之间的时间间隔；采集次数：设置采集多少次数据组成三维图。图10三维显示425.3停止下拉菜单：工作f停止工具栏：主工具栏一停止系统在扫描过程中，执行该命令，则中止扫描。425.4手动前进下拉菜单：工作f手动前进工作寄存器区：“手动前进”按钮执行该命令后，系统把当前的中心波长向长波方向移动设置的间隔。425.5手动后退下拉菜单：工作f手动后退工作寄存器区：“手动后退”按钮执行该命令后，系统把当前的中心波长向短波方向移动设置的间隔。425.6背景记忆下拉菜单：工作f背景记忆工具栏：主工具栏f背景执行该命令后，系统显示如图11所示的提示框。提示□话关田光曲后.点击确定・采集背杲.……哺是……J取消1图11背景记忆提示框点击“确定”按钮，则测量背景并记忆（当软件关闭后将自动清除）。425.7清除背景记忆下拉菜单：工作f清除背景记忆工具栏：主工具栏f清除执行该命令后，系统将清除存在的背景数据。425.8检索下拉菜单：工作f检索工具栏：主工具栏f检索执行该命令后，弹出如图12输入框。在编辑框中输入数值后，单击“确定”按钮，系统将显示“正在检索”提示框。当提示框自动消失时，中心波长移至用户所输入的位置。输人图12检索425.9重新初始化下拉菜单：工作f重新初始化重新检测零级谱，把光栅精确定位到300.0nm处；重新初始化参数。五、实验内容和步骤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3mw,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13所示,调节功率计的零点，将激光束垂直照射在光功率计探测器光敏面的中心位置附近，用光功率指示仪读出半导体激光的输出功率。改变注入电流，从1mA或2mA开始测量，每隔1mA测量一次光功率，在阈值附近每隔0.5mA测量一次光功率，直到20mA，将试验数据列表。以电流值为横坐标、光功率值为纵坐标，在坐标纸上绘制出P—I关系曲线，曲线中出现拐点处所对应的电流值为阈值电流。BSDLD迅功暉探头图13半导体激光器的输出特性测试光路2、半导体激光器的发散角测定测量半导体激光器发散角的实验装置如图14所示，去掉半导体激光器的准直透镜，使光束发散，在远场看到椭圆形的激光光束。测量发散角的方法是将光源固定，探测器绕着以光源为中心，以光源到探测器的距离为半径的圆旋转便可测得各个方向的光束发散角。先测量正横场的发散角。丄，将半导体激光器置于旋转台中心，并平行于旋转台面，光功率指示仪探头与半导体激光器LD的距离一定。当注入电流一定时，记下旋转台处于不同角度时，光功率指示仪所测到的输出值，做出输出值随角度变化的曲线，两个半功率强度点处的全角宽即为发散角。再将半导体激光器旋转90。测量侧横场发散角〃。灵〔LE.-lS卒悴土图14测定半导体激光的发散角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装置如图15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，记下最大光强值I和最小光强值I，并计算出其偏振度。//图15测量半导体激光器的偏振度4、半导体激光器的光谱特性测试图16所示的是测量半导体激光器的光谱特性的光路装置。半导体激光器LD（650nm,V5mW=的光信号通过透镜L（f=15,育14）耦合进WGD-6光学多道分析器的输入狭缝，让光学多道分析器与计算机相连，从光栅单色仪输出的光信号通过CCD接收放大输出到计算机，通过控制软件的设置就绘出半导体激光器的谱线。CCD光学多道分析器650LD衰减片聚焦镜图16半导体激光器的光谱特性测试六、数据记录和处理1、记录半导体激光器的输出功率随注入电流变化时电流和功率值，做出P—I曲线，从曲线中标定出阈值电流；2、做出正横场和侧横场的光功率随角度变化的曲线，从曲线中得出正横场发散角0丄和侧横场发散角0//的大小。3、记录最大和最小光强处偏振片的角度和光强值，求出半导体激光器的偏振度。4、改变注入电流的大小，用WGD-6光学多道分析器观测，半导体激光器注入电流小于阈值时发射的荧光，和大于阈值电流产生激光振荡时谱线变化。七、注意事项实验过程中，实验者不可以直视激光束，以免眼睛受到损伤。半导体激光器不能承受电流或电压的突变。若使用不当容易损坏。当电路接通时，半导体激光器的注入电流必须缓慢地上升，以防半导体激光器损坏。使用完毕关闭时，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OmA,切勿用力调节旋钮)，再关闭电源开关。静电感应对半导体激光器也有影响。如果需要用手触摸半导体激光器外壳或电极时,手必须事先触摸金属一下。八、思考题1、半导体激光器的输出功率与什么有关？2、半导体激光器的输出波长与什么有关？