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文档简介
1、实验报告半导体激光器输出光谱测量实验时间:2017.03.04一、实验目的1、了解半导体激光器的基本原理及基本参数;2、测量半导体激光器的输出特性和光谱特性;3、了解外腔选模的机理,熟悉光栅外腔选模技术4、熟悉压窄谱线宽度的方法。二、实验原理半导体激光器激光(LASER)的全称lightamplificationbystimulatedemissionofradiation意为通过受激发射实现光放大。激光器的基本组成如下图:必要组成部分无外乎:谐振腔、增益介质、泵浦源。在此基础上,激光产生的条件有二:1)粒子数反转通过外界向工作物质输入能量,使粒子大部分处于高能态,而非基态。2)跃迁选择定则粒
2、子能够从基态跃迁到高能态,需要两个能级之间满足跃迁选择定则,电子相差的奇数倍角动量差。世界上第一台激光器是I960年7月8日,美国科学家梅曼发明的红宝石激光器。1962年世界上第一台半导体激光器发明问世。半导体激光器的基本原理半导体激光器工作原理是激励方式,利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光,用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜,组成谐振腔,使光振荡、反馈、产生光的辐射放大,输出激光。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
3、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。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。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区中的自由电子在正向电压的作用下,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
4、的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理。阈值电流对于半导体激光二极管来说,当正向注入电流较低时,增益avG,此时半导体激光器只能发射荧光;随着电流的增大,注入的非平衡载流子增多,使增益接近损耗,尚未克服损耗,在腔内无法建立起一定模式的振荡,这种情况被称为超辐射;当注入电流增大到某一值时,增益将克服损耗,半导体激光器能输出激光,此时的注入电流值定义为阈值电流I,。th半导体激光器与光纤通信自1980年代起,光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性的影响,同时也在数位时代里扮演非常重要的角色。光纤通信传输容量大,保密性好等优点。光纤通信现在已经成为当今最主要的有线通信方式。1966年,英籍华人高锟
5、(C.K.Kao)预见利用玻璃可以制成衰减为20dB/Km的通信光导纤维(即光纤)。1970年,美国康宁(Corning)公司首先研制成衰减为20dB/Km的光纤。在数十年的发展过程中,光纤通信系统经历了三代:工作波长为850nm多模光纤光通信系统(掺磷半导体激光器);工作波长为1330nm多模光纤光通信系统和单模光纤光通信系统(掺铒半导体激光器);工作波长为1550nm单模光纤光通信系统(掺铒光纤)。半导体激光器的优缺点优点:转换效率高量子阱型的效率有2040%,P-N型也达到数2025%辐射范围广通过对半导体掺杂,可以获得从280nm-1600nm之间的各种波长激光。缺点:多纵模输出由于半
6、导体材料的特殊电子结构,受激复合辐射发生在能带(导带与价带)之间,所以激光线宽较宽。GaAs激光器,室温下谱线宽度约为几纳米,可见其单色性较差。输出激光的峰值波长:77K时为840nm;300K时为902nm。光斑不够均匀半导体激光器的光斑取决于使用的P-N结的形状,虽然P-N结可以利用解理面构成相当良好的腔镜结构,但是外部形状则不容易做成圆形,因而半导体激光器的光斑不圆,呈长条状,发散,不均匀。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。三、实验数据阈值电流测量(1)检查稳流电源的输出与激光二极管是否连接正确和接触良
7、好。开启LD的稳流电源,功率计调零。调整光路成水平平行,即半导体激光经准直后在5cm2m的范围内光斑大小、形状基本不变;使光斑中央的亮线呈水平。将激光打在功率计上,测量出阈值电流的大致位置(约为8mA),从0mA开始,每次加2mA,到达8-10mA中每次加0.5mA,加到饱和为止。(5)几率电流值、电压值、光功率,并求出阈值电流。IUPTightP-inputmAVmWmW01.690021.9103.8241.9907.9662.06012.3682.110.0216.888.52.130.0218.10592.140.0419.269.52.150.1620.425102.170.4621
8、.7122.221.6426.64142.272.831.78162.313.8436.96182.344.7842.12202.385.7647.6222.426.7353.24242.457.7958.8262.498.8464.74282.519.8370.28302.5610.876.8322.9511.6594.432.53.4611.78112.4532.73.6411.82119.028151050204060SO100120fP-input(mW)P-iightLinearFitofSheetlCTdighf=abKWeghi*“卯呷RwHlHlStfnslS4uaf4&Fui
9、sziTsrQ39ET4厲炖R-Squ?wVjIi%andaidErrarP4ghlJ011322sgapsD.1B36O.WMfiS-3.37709拟合直线:P=0.1886Plightinput斜率:0.1886,表明转换效率为18.86%EqudiiorY=a+bxhVeiphtr-laV乓咖ERdujlSumtfSquarea.45714p4sn;Dn!&rAdjR-Squ3!tValueSoiKfelEn-iXPI*Inttrccl4233310WG73W那TQ.NM6112-P-lightLinearFitofSheetlCP-liaht105o5101520253035I(mA)
10、拟合直线:P=0.499571-4.28831light横截距:4.288310.49957=8.5844表明阈值电流为8.584mA2、发射光谱的测量观测注入电流小于阈值电流时的发射光谱。观测阈值电流附近的发射光谱。观测大于阈值电流时的发射光谱,并测量线宽。3、谱线宽度的压窄及测量用光谱仪观测光栅外腔半导体激光器的发射谱。外加光栅,仔细调节使+1级衍射反馈回到激光腔内,用0级输出。适当调整光栅的角度,可使光栅只有0、1两个级次衍射。此时,电流置于阈值附近(稍低),调节光栅的微调钮可得到窄线宽激光输出。得到外腔反馈的激光输出后,用聚焦透镜和自聚焦光纤将光输入光谱仪观测发射光谱。物理原因:利用激光外腔光反馈法压窄激光线宽和选择单纵模。该系统利用闪耀光栅的选频特性压窄激光线宽和选取单纵模,同时,改变光栅角度,还可选取不同波长,以实现激光输出的波长调谐。从原理上讲外腔反馈可以从两个方面使线宽变窄:(1)加入外腔等于增大腔长。r/2(n+L)(2)引入反馈可以增加受激辐射抑制自发辐射。外反射器与半导体激光二极管的两解理面构成复合腔系统,由内腔决定的纵模分布如下图,由外腔决定的纵模分布如下图。由于外腔镜有一定的反射带宽,使外腔反馈光波场与原激光二极管的本征波场迭加相干从而改变原本征场的
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