1、中国地质大学（武汉）实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：半导体激光器实验学院：班号： 组号：组员：指导老师：实验地点：半导体激光器实验2半导体激光器实验一、实验目的1、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、通过实验测量半导体激光器件的主要参数二、实验原理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，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（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。同质结激光器和
2、单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器具有体积小、效率高等优点，广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。1半导体激光器的结构与工作原理现以砷化镓（GaAs）激光器为例，介绍注入式同质结激光器的工作原理。半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量） 。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在
3、外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。掺杂半导体与 P-N 结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级有施主能级的半导体称为 n 型半导体；有受主能级的半导体称这 P 型半导体。在常温下，热能使 N 型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而 P 型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，N 型半导体主要由导带中的电子导电；P 型半导体主要由价带中的空穴导电。半导体激光器中所用半导体材料，掺
4、杂浓度较大，N 型杂质原子数一般为2 51018cm-1； P 型为 1310 19cm-1。在一块半导体材料中，从 P 型区到 N 型区突然变化的区域称为 P-N 结。其交界面处将形成一空间电荷区。N 型半导体带中电子要向 P 区扩散，而 P 型半导体价带中的空穴要向N 区扩散。这样一来，结构附近的 N 型区由于是施主而带正电，结区附近的 P 型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由 N 区指向 P 区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散（见图 1） 。P-N 结电注入激发机理。若在形成了 P-N 结的半导体材料上加上正向偏压， P 区接正极，N 区接负极。显然，正向电
5、压的电场与 P-N 结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使 N 区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断图 1 自建电场的示意图半导体激光器实验3地通过 P-N 结向 P 区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。要使 P-N 结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入 P-N 结的电流足够大（如 30000A/cm2） 。这样在 P-N 结的局部区域内，就能
6、形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。半导体激光器结构。如图 2 为结构图，其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的 P 区与 N 区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。半导体激光器的光学谐振腔是利用与 P-N 结平面相垂直的自然解理面（110 面）构成，它有 35 的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得 95以上的反射率。一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合。2半导体激光器的工作特性图 3 中给出了典型的半导体激光
7、器的工作特性示意图，其中实现是输出光功率和工作电流的关系（实线） ；图中的虚线是工作电压和工作电流的关系曲线（V-I 曲线） ，它基本是由两段斜率不同的直线构成，一般 LD 在极小的电流状态下，电压已经较大了，所以一般测量时，只能看到第二段，第二段是 LD 的串联电阻（LD 本身的电阻特性）的与通过 LD 的电流的结果。(1)阈值电流（I th）当注入 P-N 结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，P-N 结产生激光。影响阈值的几个因素：晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。
8、目前，室温下同质结的阈值电流大于 30000A/cm2；单异质结约为 8000A/cm2；双异质结约为 1600A/cm2。现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。图 2 半导体激光器的结构图00.40.81.20 5 10 15 20 25工 作 电 流 （ mA）输出功率（mW）00.511.522.5工作电压（V）VIPI图 3 半导体激光器的工作特性曲线半导体激光器实验4温度愈高，阈值越高。100K 以上，阈值随 T 的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。阈值电流（I th）的测量方法。0501001502002503003504004500 5
9、 10 15 20 25工 作 电 流 （ mA）输出光功率（uW）P-IdP/dId2P/dI2acdb图 4 半导体激光器的工作特性曲线图 4 中给出了典型的半导体激光器的典型特性示意图，其中的曲线是输出光功率和工作电流的关系（实线） ，虚线是对功率和电流的关系一次求导的结果，划线是对功率和电流的曲线的二次求导的结果。一般对阈值的描述常用的有下述几种过程：a，在 P-I 曲线的快速上升断上取其中的线性部分延长线与横坐标的交点；b，把荧光部分和激光部分分别近似看成两条直线，那么两条直线的交点就是阈值；c，在 dP-dI 的曲线上，取上升延的中点（10 和 90两点的中点） ； d，d 2P/
10、dI2 的顶点作为阈值点。(2)发散角由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达 20-30；在结的水平面内约为 10左右。(3)截止电压与串联电阻根据半导体激光器的 VI 工作曲线，可以求出半导体激光器的另外两个重要的内参数：截止电压和串联电阻。我们都知道，半导体激光器的工作电压是恒定的，而 VI 工作曲线存在一定斜率，这是激光器固有的串联电阻决定的，它产生的功率主要以热形式释放。可见，作为激光器的一个品质参数，串联电阻应该越小越好。反向延长 VI 曲线与坐标轴相交便可得到激光器的截止电压(V j),它与阈值电流（I th）有关，I th h 越低，性能
11、越好。三、实验仪器1、 半导体激光器电源2、 光功率测试仪及探测器3、 旋转台及偏振片4、 半导体激光发射器 S1、激光笔 S2（功率 10mW、波长 650nm）四、实验内容1.偏振度测量(1)实验步骤1、 连接仪器，打开半导体激光器电源2、 将 S1 固定在平台中心，使其正对探测器探头，观察光功率仪读数3、 旋转探头使光功率仪读数最大半导体激光器实验54、 调节 S1 与探头的高度，在两者间插入偏振片，调节使三者中心等高5、 旋转偏振片，记录旋转的角度和光功率仪的读数6、 作 I- 曲线图7、 重复 2-7 步骤测 S2(2)实验数据及作图S1:(激光器电源的激励电压为 4V)/I/ /
12、I/ I/ I/ I/0 125.3 40 30.3 80 9.6 120 96.4 160 149.15 114.7 45 21.3 85 16.7 125 109.7 165 146.410 103.4 50 13.6 90 25.1 130 120.6 170 141.415 90.9 55 7.9 95 35.5 135 129.5 175 13420 78.3 60 3.7 100 46.2 140 139.4 180 124.325 65.8 65 2 105 57.4 145 144.6 185 112.930 52.7 70 2.2 110 71 150 148 190 100
13、.135 41.3 75 4.9 115 84.3 155 149.2 195 88.3S2：/I/ I/ / I/ / I/ / I/0 0.533 40 0.177 80 1.861 120 2.85 160 1.475 0.354 45 0.306 85 2.21 125 2.81 165 1.1610 0.22 50 0.473 90 2.47 130 2.76 170 0.9315 0.109 55 0.67 95 2.65 135 2.65 175 0.6420 0.043 60 0.885 100 2.82 140 2.5 180 0.44425 0.016 65 1.127 1
14、05 2.91 145 2.25 185 0.27130 0.03 70 1.364 110 2.94 150 2 190 0.146半导体激光器实验635 0.081 75 1.61 115 2.89 155 1.75 195 0.062(3)分析结论两曲线图呈现明显的三角函数曲线形式， S1 在 67 有谷值 1.8 ，在 157 有峰 值 149.9 ； S2 在 25 有谷值 0.016mW,在 115 有峰值 2.94mW。两者相邻峰谷间均相 隔 90 角，且谷值趋近于零，可见 S1 和 S2 有着很好的单色性2.发散角的测量(1)实验步骤1、 将 S1 固定在平台中心，使其正对探头
15、，观察光功率仪读数2、 将 S1 自旋至横场（S1 的发光带平行于平台平面） ，旋转探头至光功率仪读数最大3、 旋转平台，记录旋转角度及光功率仪读数4、 将 S1 自旋 90 度（转至纵场） ，重复上述步骤记录纵场分布5、 作 I- 曲线图(2)实验数据及作图横场：(激光器电源的激励电压为 4V)/I/ / I/ / I/ / I/ / I/-50 0 -25 0.04 0 0.27 25 0.039 50 0-45 0 -20 0.072 5 0.247 30 0.024-40 0.002 -15 0.123 10 0.191 35 0.013-35 0.013 -10 0.189 15 0
16、.121 40 0.007-30 0.023 -5 0.247 20 0.069 45 0半导体激光器实验7纵场：(激光器电源的激励电压为 4V)/I/ / I/ / I/ / I/ / I/-12 0 -7 0.041 -2 0.236 3 0.193 8 0.022-11 0.002 -6 0.067 -1 0.263 4 0.148 9 0.01-10 0.005 -5 0.108 0 0.27 5 0.108 10 0.004-9 0.011 -4 0.152 1 0.263 6 0.074 11 0.001-8 0.022 -3 0.194 2 0.236 7 0.042 12 0半
17、导体激光器实验8(3)分析结论比较 S1 光强的横场和纵场分布，可以看出近似的高斯分布形式。横场发散角约为 45 度，纵场发散角约为 12 度。3.输出特性(1)实验步骤1、 将 S1 正对光功率仪探头并靠近放置2、 将半导体激光器电源的激励电压从零开始逐渐调高，观察光功率仪读数的变化3、 作 P-U 曲线图(2)实验数据及作图U/V P/mW U/V P/mW U/V P/mW U/V P/mW U/V P/mW0 0 2.21 0.028 2.3 1.467 2.39 1.592 2.48 1.6050.5 0 2.22 0.071 2.31 1.5 2.4 1.595 2.49 1.60
18、51 0 2.23 0.238 2.32 1.531 2.41 1.597 2.5 1.6061.5 0 2.24 0.423 2.33 1.55 2.42 1.599 2.55 1.6062 0.002 2.25 0.643 2.34 1.568 2.43 1.601 2.6 1.6062.05 0.004 2.26 0.862 2.35 1.574 2.44 1.602 2.7 1.6062.1 0.006 2.27 1.082 2.36 1.579 2.45 1.6032.15 0.01 2.28 1.258 2.37 1.584 2.46 1.6032.2 0.021 2.29 1.3
19、83 2.38 1.588 2.47 1.604半导体激光器实验9(3)分析结论由图可知，当外电场低于 2.21V 时，S1 处于自发辐射状态，发光功率非常小。当外电场高于 2.21V, S1 出现从非受激发射到受激发射的突变,发光功率大幅上升。2.21V对应于 S1 的阈值电压 Uth；当外电场达到 2.55V 时，S1 发光功率不再上升，说明此时通过 S1 PN 结的电流已经饱和，使得结区反转的粒子数密度不在增加。2.25V 对应于 S1的截止电压 Ur。五、实验讨论及误差分析1、 试验用半导体激光器电源激励电流的显示器有故障，本来实验 3 要做 S1 的 P-I、U-I 图，现改为作 P
20、-U 图。2、 激光笔的发光功率高，直线性好以致光能非常集中，实验仪器不能满足测量其光场分布及输出特性的条件。3、 误差分析激光器摆放位置难以十分精确；激光器长时间工作时温度上升，阈值电流越来越大，光功率随电流会有缓慢变化。六、注意事项1、 半导体激光器不能承受电流或电压的突变，激励电压的上升不要超过激光器的击半导体激光器实验10穿电压,实验调试阶段电压调到最小。2、 设备的启动和关闭易损坏半导体激光器，在开关电器遇前，应先调电流、电压为最小。3、 在做激光的实验时要始终注意，不可让激光直射眼睛，以免伤害眼睛。4、 光功率仪、激光器等光学器件的插头属易损件，使用时应轻拿轻放。七、参考资料1杜宝勋. 半导体激光器理论基础.科学出版社,2011.2黄修德,刘雪峰. 半导体激光器及其应用国防工业出版社,1999.3吴翔. 半导体激光光束的特性及其耦合技术D.浙江大学,2004. 4徐强. 半导体激光器光束传输特性研究D.西安电子科技大学,2007.5方安平, 叶卫平. OrIgIn 8.0 实用指南机械工业出版社,2009.
