半導體激光器實驗一、實驗目的1、熟悉半導體激光器的光學特性2、掌握半導體激光器耦合、準直等光路的調節3、通過實驗測量半導體激光器件的主要參數二、實驗原理半導體激光器是用半導體材料作為工作物質的一類激光器，由于物質結構上的差異，產生激光的具體過程比較特殊。常用材料有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。半導體激光器件，可分為同質結、單異質結、雙異質結等幾種。同質結激光器和單異質結激光器室溫時多為脈沖器件，而雙異質結激光器室溫時可實現連續工作。半導體激光器具有體積小、效率高等優點，廣泛應用于激光通信、印刷制版、光信息處理等方面。1．半導體激光器的結構與工作原理現以砷化鎵（GaAs）激光器為例，介紹注入式同質結激光器的工作原理。半導體的能帶結構。半導體材料多是晶體結構。當大量原子規則而緊密地結合成晶體時，晶體中那些價電子都處在晶體能帶上。價電子所處的能帶稱價帶（對應較低能量）。與價帶最近的高能帶稱導帶，能帶之間的空域稱為禁帶。當加外電場時，價帶中電子躍遷到導帶中去，在導帶中可以自由運動而起導電作用。同時，價帶中失掉一個電子，則相當于出現一個帶正電的空穴，這種空穴在外電場的作用下，也能起導電作用。因此，價帶中空穴和導帶中的電子都有導電作用，統稱為載流子。摻雜半導體與P-N結。沒有雜質的純凈半導體，稱為本征半導體。如果在本征半導體中摻入雜質原子，則在導帶之下和價帶之上形成了雜質能級，分別稱為施主能級和受主能級有施主能級的半導體稱為n型半導體；有受主能級的半導體稱這P型半導體。在常溫下，熱能使N型半導體的大部分施主原子被離化，其中電子被激發到導帶上，成為自由電子。而P型半導體的大部分受主原子則俘獲了價帶中的電子，在價帶中形成空穴。因此，N型半導體主要由導帶中的電子導電；P型半導體主要由價帶中的空穴導電。半導體激光器中所用半導體材料，摻雜濃度較大，N型雜質原子數一般為2～5×1018cm-1；P型為1～3×1019cm-1。在一塊半導體材料中，從P型區到N型區突然變化的區域稱為P-N結。其交界面處將形成一空間電荷區。N型半導體帶中電子要向P區擴散，而P型半導體價帶中的空穴要向N區擴散。這樣一來，結構附近的N型區由于是施主而帶正電，結區附近的P型區由于是受主而帶負電。在交界面處形成一個由N區指向P區的電場，稱為自建電場。此電場會阻止電子和空穴的繼續擴散（見圖1）。圖圖1自建電場的示意圖P-N結電注入激發機理。若在形成了P-N結的半導體材料上加上正向偏壓，P區接正極，N區接負極。顯然，正向電壓的電場與P-N結的自建電場方向相反，它削弱了自建電場對晶體中電子擴散運動的阻礙作用，使N區中的自由電子在正向電壓的作用下，又源源不斷地通過P-N結向P區擴散，在結區內同時存在著大量導帶中的電子和價帶中的空穴時，它們將在注入區產生復合，當導帶中的電子躍遷到價帶時，多余的能量就以光的形式發射出來。這就是半導體場致發光的機理，這種自發復合的發光稱為自發輻射。要使P-N結產生激光，必須在結構內形成粒子反轉分布狀態，需使用重摻雜的半導體材料，要求注入P-N結的電流足夠大（如30000A/cm2）。這樣在P-N結的局部區域內，就能形成導帶中的電子多于價帶中空穴數的反轉分布狀態，從而產生受激復合輻射而發出激光。圖2半導體激光器的結構圖半導體激光器結構。如圖2為結構圖，其外形及大小與小功率半導體三極管差不多，僅在外殼上多一個激光輸出窗口。夾著結區的P區與N區做成層狀，結區厚為幾十微米，面積約小于1mm圖2半導體激光器的結構圖半導體激光器的光學諧振腔是利用與P-N結平面相垂直的自然解理面（110面）構成，它有35的反射率，已足以引起激光振蕩。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化硅，再鍍一層金屬銀膜，可獲得95％以上的反射率。一旦半導體激光器上加上正向偏壓時，在結區就發生粒子數反轉而進行復合。V－IPV－IP－I圖3半導體激光器的工作特性曲線圖3中給出了典型的半導體激光器的工作特性示意圖，其中實現是輸出光功率和工作電流的關系（實線）；圖中的虛線是工作電壓和工作電流的關系曲線（V-I曲線），它基本是由兩段斜率不同的直線構成，一般LD在極小的電流狀態下，電壓已經較大了，所以一般測量時，只能看到第二段，第二段是LD的串聯電阻（LD本身的電阻特性）的與通過LD的電流的結果。(1)閾值電流（Ith）當注入P-N結的電流較低時，只有自發輻射產生，隨電流值的增大增益也增大，達閾值電流時，P-N結產生激光。影響閾值的幾個因素：①晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。②諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。③與半導體材料結型有關，異質結閾值電流比同質結低得多。目前，室溫下同質結的閾值電流大于30000A/cm2；單異質結約為8000A/cm2；雙異質結約為1600A/cm2。現在已用雙異質結制成在室溫下能連續輸出幾十毫瓦的半導體激光器。④溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的三次方增加。因此，半導體激光器最好在低溫和室溫下工作。⑤閾值電流（Ith）的測量方法。aacdb圖4半導體激光器的工作特性曲線圖4中給出了典型的半導體激光器的典型特性示意圖，其中的曲線是輸出光功率和工作電流的關系（實線），虛線是對功率和電流的關系一次求導的結果，劃線是對功率和電流的曲線的二次求導的結果。一般對閾值的描述常用的有下述幾種過程：a，在P-I曲線的快速上升斷上取其中的線性部分延長線與橫坐標的交點；b，把熒光部分和激光部分分別近似看成兩條直線，那么兩條直線的交點就是閾值；c，在dP-dI的曲線上，取上升延的中點（10％和90％兩點的中點）；d，d2P/dI2的頂點作為閾值點。(2)發散角由于半導體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結的垂直平面內，發散角最大，可達20°-30°；在結的水平面內約為10°左右。(3)截止電壓與串聯電阻根據半導體激光器的V－I工作曲線，可以求出半導體激光器的另外兩個重要的內參數：截止電壓和串聯電阻。我們都知道，半導體激光器的工作電壓是恒定的，而V－I工作曲線存在一定斜率，這是激光器固有的串聯電阻決定的，它產生的功率主要以熱形式釋放。可見，作為激光器的一個品質參數，串聯電阻應該越小越好。反向延長V－I曲線與坐標軸相交便可得到激光器的截止電壓(Vj),它與閾值電流（Ith）有關，Ithh越低，性能越好。三、實驗儀器半導體激光器電源光功率測試儀及探測器旋轉臺及偏振片半導體激光發射器S1、激光筆S2（功率10mW、波長650nm）四、實驗內容1.偏振度測量實驗步驟連接儀器，打開半導體激光器電源將S1固定在平臺中心，使其正對探測器探頭，觀察光功率儀讀數旋轉探頭使光功率儀讀數最大調節S1與探頭的高度，在兩者間插入偏振片，調節使三者中心等高旋轉偏振片，記錄旋轉的角度和光功率儀的讀數作I-θ曲線圖重復2-7步驟測S2實驗數據及作圖S1:(激光器電源的激勵電壓為4V)θ/I/μWθ/I/μWθ/I/μWθ/I/μWθ/I/μW0125.34030.3809.612096.4160149.15114.74521.38516.7125109.7165146.410103.45013.69025.1130120.6170141.41590.9557.99535.5135129.51751342078.3603.710046.2140139.4180124.32565.865210557.4145144.6185112.93052.7702.211071150148190100.13541.3754.911584.3155149.219588.3S2：θ/I/mWθ/I/mWθ/I/mWθ/I/mWθ/I/mW00.533400.177801.8611202.851601.4750.354450.306852.211252.811651.16100.22500.473902.471302.761700.93150.109550.67952.651352.651750.64200.043600.8851002.821402.51800.444250.016651.1271052.911452.251850.271300.03701.3641102.9415021900.146350.081751.611152.891551.751950.062分析結論兩曲線圖呈現明顯的三角函數曲線形式，S1在67°有谷值1.8μW，在157°有峰值149.9μW；S2在25°有谷值0.016mW,在115°有峰值2.94mW。兩者相鄰峰谷間均相隔90°角，且谷值趨近于零，可見S1和S2有著很好的單色性2.發散角的測量實驗步驟將S1固定在平臺中心，使其正對探頭，觀察光功率儀讀數將S1自旋至橫場（S1的發光帶平行于平臺平面），旋轉探頭至光功率儀讀數最大旋轉平臺，記錄旋轉角度及光功率儀讀數將S1自旋90度（轉至縱場），重復上述步驟記錄縱場分布作I-θ曲線圖實驗數據及作圖橫場：(激光器電源的激勵電壓為4V)θ/I/mWθ/I/mWθ/I/mWθ/I/mWθ/I/mW-500-250.0400.27250.039500-450-200.07250.247300.024-400.002-150.123100.191350.013-350.013-100.189150.121400.007-300.023-50.247200.069450縱場：(激光器電源的激勵電壓為4V)θ/I/mWθ/I/mWθ/I/mWθ/I/mWθ/I/mW-120-70.041-20.23630.19380.022-110.002-60.067-10.26340.14890.01-100.005-50.10800.2750.108100.004-90.011-40.15210.26360.074110.001-80.022-30.19420.23670.042120分析結論比較S1光強的橫場和縱場分布，可以看出近似的高斯分布形式。橫場發散角約為45度，縱場發散角約為12度。3.輸出特性實驗步驟將S1正對光功率儀探頭并靠近放置將半導體激光器電源的激勵電壓從零開始逐漸調高，觀察光功率儀讀數的變化作P-U曲線圖實驗數據及作圖U/VP/mWU/VP/mWU/VP/mWU/VP/mWU/VP/mW002.210.0282.31.4672.391.5922.481.6050.502.220.0712.311.52.41.5952.491.605102.230.2382.321.5312.411.5972.51.6061.502.240.4232.331.552.421.5992.551.60620.0022.250.6432.341.5682.431.6012.61.6062.050.0042.260.8622.351.5742.441.6022.71.6062.10.0062.271.0822.361.5792.451.6032.150.012.281.2582.371.5842.461.6032.20.0212.291.3832.381.5882.471.604分析結論由圖可知，當外電場低于2.21V時，S1處于自發輻射狀態，發光功率非常小。當外電場高于2.21V,S1出現從非受激發射到受激發射的突變,發光功率大幅上升。2.21V對應于S1的閾值電壓Uth；當外電場達到2.55V時，S1發光功率不再上升，說明此時通過S1PN結的電流已經飽和，使得結區反轉的粒子數密度不在增加。2.25V對應于S1的截止電壓Ur。五、實驗討論及誤差分析試驗用半導體激光器電源激勵電流的顯示器有故障，本來實驗3要做S1的P-I、U-I圖，現改為作P-U圖。激光筆的發光功率高，直線性好以致光能非常集中，實驗儀器不能滿足測量其光場分布及輸出特性的條件。誤差分析激光器擺放位置難以十分精確；激光器長時間工作時溫度上升，閾值電流越來越大，光功率隨電流會有緩慢變化。六、注意事項半導體激光器不能承受電流或電壓的突變，激勵電壓的上升不要超過激光器的擊穿電壓,實驗調試階段電壓調到最小。設備的啟動和關閉易損壞半導體激光器，在開關