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1、激光实验六激光实验六 半导体激光器激光谱线特性的半导体激光器激光谱线特性的测量测量实验目的实验目的实验目的实验目的（1）掌握使用单色仪和 F-P 标准测量半导体激光器激光谱线的办法；（2）学习从 CCD-计算机图像采集系统获取的图像文件得到相关物理参数的图像分析方法。实验原理实验原理实验原理实验原理半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理不考虑光源的话，一个激光器主要由两部分组成。一是工作介质，用于产生受激辐射，要求粒子数反转以实现增益放大；另一个是谐振腔，用于控制电磁波的传播特性，只有被选择的少数电磁场模式能够传播。在半导体激光器中，增益介质是半导体材料；并且在一般的半导体激光器中，构成
2、谐振腔的也是半导体材料。1.1.半导体作为光的增益介质半导体作为光的增益介质电子在两个态之间跃迁产生光的吸收或发射。在半导体中有若干种不同的跃迁机理，电子空穴复合发光（即能带间的跃迁）是其中最主要的一种。此时，产生电子跃迁的上下能态是半导体的导带和价带。半导体中若是掺杂了施主杂质，使材料比未掺杂时（本征半导体）具有更多的电子，则成为 n 型半导体； 若掺杂了受主介质，使材料比未掺杂时具有更多的空穴，则成为 p 型半导体。在制作半导体激光器时， 控制掺杂的种类和浓度，可以使一块半导体材料的一侧成为n 型区，另一侧成为 p 型区，形成 p-n 结。图图图图 1 1 1 1p-np-np-np-n
3、结结结结如果在两侧加上正向电压，则使势垒降低，外加电源向 n 区注入电子，向 p区注入空穴。 大量注入电子和空穴的半导体的状态与系统处于热平衡是的状态时不同的，此时，电子和空穴处于非平衡态，有各自的费米分布( )efE和( )hfE以及不同的准费米能级 nFE和 pFE。n 区的电子会经过 p-n 结向 p 区运动，p 区的空穴也会经 p-n 结向 n 区运动，在 p-n 结处，即激活区（或称为有源层）产生粒子数反转，电子和空穴复合，以光子形式释放出能量。这是半导体作为增益介质，在电流注入时的电子-空穴发光机理。图 1 与图 2 是在坐标空间中的能级图，横坐标眼垂直于 p-n 结方向；用以说明
4、电子空穴对的符合发光是在 p-n 结的区域中发生的。图 3 是直接带隙半导体在动量空间中的能级图。横坐标表示准动量。用以说明电子和空穴在能带中的分布情况。发光强度 ()I h与导带的态密度( )eD E，价带的态密度( )hD E，导带中的电子费米分布概率( )efE以及价带中空穴的费米分布概率( )hfE有关。()( )( )()()eehhI hD E fE D EhfEhdE在低载流子密度，经典极限下：1/2()()exp( ()/)ggBI hhEhEk T要求ghE图 4 是电子空穴对符合发光的光谱。虚线 D 表示能带的态密度。光谱有一个发光峰，有一定的宽度，峰值位置和峰的宽度都与温
5、度有关。在高载流子密度的简并情况下，则需要进一步考虑费米分布。半导体激光器能够产生激光振荡，要求受激辐射大于受激吸收。其必要条件是电子和空穴处于非平衡态， 以达到粒子数反转。通过电流注入或是光激发的方式，可以产生非热平衡分布，使得：npFFgEEhvE这样一来，半导体介质就能对激光进行增益放大。在实际的半导体激光器中， 发光机理也可以不是电子-空穴复合，而是激子发光，杂志发光等。发光激活区的结构也有多种形式，如双异质结，量子阱等。利用谐振腔的锁模功能将发光过程中的光场限制在少数几个模式中，让能量集中，光场增强，使得增益大于损耗，就长生了受激辐射，达到半导体激光器的功能。 在半导体激光器中，构成
6、谐振腔的两个反射镜通常是半导体材料本身的解理面形成的两个端面。半导体与空气的界面反射率通常是 30%左右。因为谐振腔的限制， 在腔内满足驻波条件的电磁场处于特定的模式。激光将只能在这些模式的频率上产生。事实上，即使是每一种模式也有一定的线宽，但比材料发光光谱的线宽小很多。电流注入产生粒子数反转，在某一特定电流thI时，在由谐振腔确定的模式频率上， 增益大于由吸收和散射造成的损耗以及在反射镜上的透射损失，则可以产生稳定的激光。稳定振荡条件是阈值增益thg大于 0。继续增加电流 I，粒子数反转增加，电子和空穴的复合增加，则激光强度增加。输出激光的功率 P 满足：()thPII比例因子与电子-空穴对
7、向光子转化的量子效率、输出反射镜的透过率、光场模式与诸如电流去的重合、器件的结构等因素有关。2.2.半导体激光器的结构半导体激光器的结构图 5半导体激光器结构示意图端面发光条形半导体激光器的结构如图5。 图中的有源层就是以上所讲的p-n结区， 注入电流的方向和激光的传播方向已经在图中标出。由于半导体材料的折射率与空气的折射率相比较高， 而且晶体的解理面很平整，故半导体材料的前后两个解理面正好构成谐振腔的两个反射镜。限制层，有源层，反射面，以及条形的注入电流的区间决定了激光的传播方向和特性。激光束的空间分布分为横向模式和纵向模式。半导体激光器的激光谱线宽度是由多种因素决定的，主要有材料，腔长，功
8、率，温度等。通常半导体激光器的腔长在几百到几千微米。 另外半导体材料的自然解理面形成的反射面反射率只有30%左右。这些因素决定了半导体激光器的谱线宽度。半导体激光器横向模式的近场分布与远场分布是不同的。 随着新的发展，实际的半导体激光器的具体结构也有很多形式。实验装置实验装置实验装置实验装置实验装置由半导体激光器、氦氖激光器、单色仪、F-P 腔、CCD 以及计算机系统组成。半导体激光器为发射红色激光的小功率半导体激光器，置于调节架上，以便调整光束的方向。氦氖激光器提供 6328 埃的单色光源，用于单色仪的波长校准以及 F-P 腔的调整。单色仪为 WDG30 型，用于测量半导体激光器的波长。F-
9、P 腔为法布里-帕罗标准具，两个反射镜的间隔距离为 4.25mm，用于测量半导体激光器的线宽。将激光束射到屏幕（坐标纸）上，使 F-P 标准具瞄准屏幕上的光斑。CCD 照相机以及计算机用于采集干涉图样。最后利用干涉图样来分析谱线的线宽。实验步骤及数据实验步骤及数据实验步骤及数据实验步骤及数据1.1.半导体激光器波长的标定半导体激光器波长的标定（1）将氦氖激光通过入射狭缝射入单色仪；（2）调节单色仪旋钮，使出光狭缝的光强达到最大；（3）记录波长值，用于单色仪的校正；632.2nm=氦氖激光已知632.8nm=氦氖激光（4）换氦氖激光器为半导体激光器，测量半导体激光器的波长（同上） ；650.9n
10、m=半导体激光即650.3nm=半导体激光2.2.半导体激光器谱线宽度的测量半导体激光器谱线宽度的测量半导体激光的线宽很窄，测量线宽需要用有高分辨本领的 F-P 标准具。标准具产生干涉极大条件为：2cosnlk=其中空气折射率 n 近似为 1，l为腔长，很小因而可以使用近似：2cos( )1/ 2 / 2Df 带入得到：22222222 122222 112 1() 8()4/() =8/2=2kkkkDlkfDlf D fDDl DDDD DDl += = 内外外内外内从而转化为只用测量各个直径的相对值即可得到线宽。3.3.用图像处理软件采集和分析干涉图用图像处理软件采集和分析干涉图得到的衍
11、射环如图 6 所示：图图图图 6 6 6 6衍射环图样衍射环图样衍射环图样衍射环图样通过 MAT-LAB 处理图像， 得到衍射环直径以及要求得到的结果的相对值如下表 1 所示：i X1(k+i)X2(k+i)X3(k+i)X4(k+i) D(k+i) d(sq(D) d(sq(D)AVG 131632741142596.54825268153268220 22652684704772074140268515 32312335065102763312268100 4203.5205.5534538331.53978268333 5180182558561378.53785267939 6159.
12、5161580582420.752945.25267858 7141142599.5600.5458.51834268642 8123124616.5617.5493.51974 9106.5108633.5634.5 526.752633.75 1091926496505582232 1176.578664664586.751760.25 1262.563.56786786151230 134950.5691691641.251923.75 143637703.5703.56671334 152425716.5716.56921384表 1处理得到的相对直径表利用逐差法处理数据，考虑到分辨率影响，只取第 25 数据平均作为内外直径平方差并计算线宽如下：22222 12=24000 8650.3nm 2682204.25mm 12pmkkDDlDD+外内（）
