半导体激光器实验

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。同质结激光器和单异质结激光器室温时多

2、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，这种空穴在外电场的作用下，也能起导

3、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，掺杂浓度较大，N型杂质原子数一般为251018cm

4、-1；P型为131019cm-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）。图1自建电场的示意图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

5、自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过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。图2半导体激光器的结构图半导体激光器结构。如图2为结构图，其外形及大小与小功率半导体三极管

6、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。VIPI图3半导体激光器的工作特性曲线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

7、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（Ith）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。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

8、的半导体激光器。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（Ith）的测量方法。acdb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

9、点）；d，d2P/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(Vj),它与阈值电流（Ith）有关，Ith h越低，性能越好。三

10、、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4、 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/W/I/W/I/W/I/W/I/W0125.34030.

11、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：/I/mW/I/mW/I/mW/I/mW/I/mW00.533400.177801.86112

12、02.851601.4750.354450.306852.211252.811651.16100.22500.473902.471302.761700.93150.109550.67952.651352.651750.64200.043600.8851002.821402.51800.444250.016651.1271052.911452.251850.271300.03701.3641102.9415021900.146350.081751.611152.891551.751950.062(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1.8W，在157有峰值149.

13、9W；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，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/mW/I/mW/I/mW/I/mW/I/mW-500-250.0400.27250.039500-450-

14、200.07250.247300.024-400.002-150.123100.191350.013-350.013-100.189150.121400.007-300.023-50.247200.069450纵场：(激光器电源的激励电压为4V)/I/mW/I/mW/I/mW/I/mW/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(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/VP/m