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1、实验一 半导体激光器的安全使用操作一、实验目的 熟悉半导体激光器的一般常识。 掌握半导体激光器的安全使用及操作。 熟悉半导体激光器波导腔的特性及输出偏振特性。 了解 PN 结平面及快慢轴方向的分辨。 熟悉半导体激光器的出厂技术参数。二. 半导体激光器原理及常识介绍 2.1 运行机理 对于典型的双异质结半导体器激光器是靠 PN 结正向注入和载流子的复合发光的，要使它发射激光需具备的条件是：粒子数反转分布；有合适的光谐振腔起反馈作用；满足一定的阀值条件。 对于条件一般是采用简并的 P 型和 N 型半导体构成 PN 结，大量的载流子注入 PN 结区，成为反转分布区。对于条件结型半导体激光器的光谐振腔
2、通常用与PN 结平面相垂直的自然解理面构成的平面腔。在作用区内，开始时导带中的电子自发地跃迁到价带和空穴复合，产生相位/方向并不相同的光子，大部分光子一产生便穿出 PN 结区，但也有一部分光子在 PN 结区平面内穿行，并且在 PN 结内行进相当长的距离，因而它们能够激发产生许多同样的光子。这些光子在两个平行的平面镜间不断地来回反射，每反射一次就得到进步的放大。这样不断地重复和发展，就使得这种辐射趋于占压倒的优势，即辐射逐渐集中到平面镜上，而且方向垂直于反射面，形成激光输出。对于条件半导体激光器的阀值电流密度为 （3-1） 其中 、 分别为增益因子与损耗因子； 为谐振腔的长度，R1、R2 为两腔
3、镜的反射率。2. 2 波导腔的特性 半导体激光器其腔结构可看成是一波导腔，在垂直于 P-N 结平面方向（横向）一般为对称或非对称三层波导结构，为降低阈值，其有源层厚度仅为 0.10.2 m 左右。根椐平板波导原理，在该波导中只允许基模传输，即其输出为基横模，输出偏振为 TE，且发散角很大。而在平行于 P-N 结平面方向（侧向），一般为增益导引结构，其输出模式称为侧模，空间分布往往非常复杂，输出多模振荡，并随着注入电流增加，振荡模数也增加。2. 3 制造常识 半导体激光器谐振腔最常用的是由垂至于 PN 结的两个严格互相平行的（110）解理面构成 F-P 谐振腔，腔长一般为 200 m500 m。
4、半导体材料的折射率都很高，如 GaAs 的折射率 3.6，两个解理面在不镀膜的情况下，也能获得 32的反射率。为了提高输出功率和降低工作电流，一般使其中的一个反射面上镀上全反膜，为改善性能，实际中往往采用多种形式的谐振腔，如短腔、分布反馈腔等。图 3-1 所示的半导体激光器是把 pn 结切成方块，焊上电极，长方形的侧面磨毛，其两断面是平行平面，形成 FP 腔，这两个断面可以是磨制而成的，一般直接利用晶体的解理面。当施加于激光器的电流超过阈值时，便产生激光辐射，散热器用来降温，以使激光二极管输出稳定的光强和稳定的波长。这些早期的半导体激光器也称之为边缘发射半导体激光器(edge-emitting
5、 semiconductor laser)，因其狭窄的断面使得它的输出光束截面不是圆形的，而是椭圆形的，而且其发散角较大。 图 3-1 半导体激光器结构示意图由上图可以看出，由出射激光的光斑即可判断这种边缘发射半导体激光器的结平面方向。发散角较大的方向，如图上的 Y 方向，它与结平面方向垂直，又称为横向；而发散角较小的方向，如图上的 X 方向，为与结平面平行的方向，又称为侧向。我们一般称发散角较大的方向为快轴方向，由于在该方向上是基横模振荡，因此我们把快轴又称为高相干轴。而发散角较小的方向则称为慢轴方向，由于在该方向上是多侧模振荡，因此我们把慢轴又称为低相干轴。近几年利用集成电路技术，研制了一
6、种所谓垂直腔表面发射半导体激光器（vertical cavity surface-emitting semiconductor laser 简称 VCSELs），克服了边缘发射半导体激光器的缺点。它能够在同一块板上集成一百万只小激光器，其激发电流仅 1mA，VCSELs的商品化将带来光电脑的革新，有助于实现人工智能；并将带来光纤通信联网的革新等。这种表面发射半导体激光器的重要特征之一，是从垂直于半导体薄片的方向发射激光，这样就使激光束的截面成为圆形，并且激光器的发散角减小了，从而克服了原来从半导体侧面发射激光的缺点。有兴趣的同学可参看半导体激光器方面的资料，本实验不涉及 VCSEL激光器。对于
7、典型的双异质结边发射半导体器激光器，从输出功率来分，可分为 LD(Laser Diode) 、LDA(Laser Diode Array) 、LD Bar(Laser Diode Bar)及 LD Stack(Laser Diode Stack)。对单管 LD，其发光面尺寸一般约为 1 m 3 m,由于腔内激光功率密度过高，可能造成腔镜膜层的破坏，因此其输出功率小于 200 mW。因此，为了增加激光输出功率，只能增加激光器的侧向长度，由此发展了 LD Array, 其发光面尺寸一般可达到 1 m 50 m 至 1 m 700 m, 功率可达到 7 W。进而发展了 LD Bar, 其发光面尺寸一
8、般为 1 m 1 cm,功率可达几十瓦。更大功率的半导体激光器则采用了一维及二维 LD Stack,它是由多个 LD Bar 排列起来的，制造中考虑了器件的散热情况。 2. 4 半导体激光器的出厂技术参数 每只半导体激光器在出厂时都会附有一份出厂技术参数，基本包含以下内容：产品系列的编号等内容，包括：Module；Serial No；Chip No。对应激光器的工作特性，包括：Po(最大输出功率)(W)；Ith(阈值电流)(A)；Io(最大工作电流)(A)；Vo(工作电压)(V)；Es(斜效率)(W/A)；Ep(量子效率)(%)；对应激光器的输出特性：中心波长 0(nm)及光谱曲线； (慢轴发
9、散角)(deg)（FWHM）； (快轴发散角)(deg)（FWHM）；测试条件：Tc(温度)( )实验中所用的半导体激光器技术参数均可以从计算中查阅。首先在半导体激光器电源的外壳上找到其相应的固定资产号码（此号码也能在 LD 的散热片上找到），然后在 D:光电子学实验 LD 技术参数 目录下打开文件“LD 与固定资产号码对应表”，查到LD 管子的 Chip No.，再打开该管子号码相应的技术参数文件（.pdf 文件）。 2. 5 安全使用及操作 2. 5. 1 半导体激光器 半导体激光器，由于它价格昂贵，操作麻烦，一不小心就会损坏，所以要千万小心。我们从以下几个方面要求大家了解半导体激光器的一
10、般安全知识并遵守操作规程。（1） 激光二极管很容易受到正向浪涌或静电而击穿，导致永久损坏。为了高效的、且可在低电压下驱动激光二极管，必须阈值电流（ ）低、微分量子效率（ ）高，如此则加大了静电击穿的可能性。比如 我们直接用手接触没有任何保护措施的半导体激光器，立即导致管子的静电击穿。 而正向浪涌能导致发光端面击穿（光学性击穿），这种击穿大多数是因为自动功率控制电路的设计不良（偏移调整、振荡、接触不良、杂散电容等），比如 由于电流无缓慢启动装置，因上升瞬态特性而被正向浪涌击穿 ； 或者当激光二极管工作时，在旁接通同一交流线上的荧光灯开关时，突然产生浪涌，激光二极管一瞬间为过电流击穿。 在使用半导
11、体激光器时应采取以下一些措施：a) 必须使用具有电流缓慢启动装置的驱动电源。b) 当我们必须用手直接操作半导体激光器（如连线焊接或接插件插抜）前，人体必须通过 500K 欧姆1000K 欧姆的高电阻和大地连接。具体做法是：先将手平放在铁制平台上，以消除人体上的静电；然后把已接地的 1M 电阻缠在手腕上（有专用工具）或者至少要带上防静电的橡胶手套。c) 电烙铁须良好接地或电烙铁加热后焊接激光二极管前先断开交流电源。d) 在装运过程中应注意选用摩擦不产生放电的包装材料，尽量用导电材料或铝箔，一般 PN 结应短路以确保运输安全。或者若半导体激光器长时间不用，PN 结也应短路。e) 激光二极管远离高频
12、源。（2）光电子学实验选用了波长为 800 nm 左右，功率为 500 mW 的 GaAlAs 半导体激光器，并选用了 HH-V 型半导体激光器驱动电源。系统除具有多重安全保护措施（如在半导体激光器的散热片上安置了 LD 的短路开关等）外，还能提供半导体制冷(或制热)实现半导体激光器的温度控制。在实际操作中必须注意以下几点：a) 电源的驱动电流必须小于半导体激光器技术参数中的额定最大值，即 610 mA 左右（以各管子的技术参数为准）。b) 电源的 “开 ”或 “关 ”可能产生尖峰电流会直接损伤激光二极管，因此每次在电源的 “开 ”或 “关 ”操作前必须 先把电流调节旋钮调至最小（电流调节钮为
13、多圈电位器，调节时应 反时针 旋转到不能转动时为止），并且关掉 LD 工作开关（即短路 LD）。同样在“开启 ”或 “关掉 ”LD 工作开关前也必须先把电流调节旋钮调至最小。c) 半导体激光器通常在室温下工作，其温度一般设定在 20C25 C 左右。过高的温度将导致其发光效率的下降及管子寿命的快速降低。d) 为延长 LD 管子的寿命，在没有必要的情况下，LD 驱动电流不要过大。2. 5.2 HH-V 型半导体激光器电源 HH-V 型半导体激光器电源输出电流稳定、具有电流缓慢启动装置、抗干扰性能强，能保证半导体激光器安全可靠地工作。它的输出电流范围为 60680 mA，电流指示值误差，电流稳定度
14、为 。它还能驱动半导体制冷(或制热)器实现 LD 的温度控制。HH-V 型半导体激光器电源的使用操作说明如下。操作面板如图 3-2 所示。1、输出电流显示 2、输出电流调节旋钮 3、温度控制调节旋钮 4、LD 工作开关 5、电源开关图 3-2 半导体激光器电源的操作面板在实验中该电源和激光二极管的使用要严格按照操作规程来进行，否则容易损坏半导体激光器。具体的操作步骤如下 ：1) 打开电源开关前，先确认 LD 工作开关处在 “关闭 ”状态，此时其红色指示灯不亮，并 反时针 将电流调节旋钮拧到头。2）打开电源开关前，先调节 LD 的温度设定至 20C25C 范围内。每台 LD 电源的温度调节刻度（
15、多圈电位器，读数 0100）与设定温度之间的关系请同学们在计算机中查阅：在D:光电子学实验 LD 温度与调节刻度的关系 目录下打开与 LD 电源固定资产号码对应的文件（.opj 文件），固定资产号码可容易地在半导体激光器电源的外壳上（或 LD 的散热片上）找到。3）把电源（黑色船形开关）打开，电流输出显示为 0 mA。此时温度控制器即开始工作，一般 24 分钟 LD 的温度就到达你所设定的温度。4) 开启 LD 的 短路开关 （LD 的短路开关安置在半导体激光器的散热片上，开关向上为短路状态，向下为正常工作状态），打开 LD 工作开关 （红色船形开关），红色指示灯亮，缓慢拧动电流调节旋钮，将电
16、流调至所需值。若驱动电流大于半导体激光器的阈值，此时应有激光输出（由于 LD 输出为近红外光，本实验用频率上转换材料制成的激光显示片来观察半导体激光器的输出，转换后显示为黄色），同时由于激光输出而导致发热，2 分钟后温度自动到达设定值并稳定下来。注意 : 1。在调节电流时，大于 500mA 后电流上升非常快，请谨慎调节，以免驱动电流超过半导体激光器最大工作电流，损坏激光器。驱动电流不要大于 610mA。2当实验环境温度很高（如 29 ）及空气潮湿时，由于设定温度及环境温度的温差，可能造成 LD 保护窗口结露，影响激光输出。此时只能调高 LD 设定温度，待温度稳定后，用擦镜纸把 LD 保护窗口擦干。4) 使用完毕，先将电流调节 反时针 旋至最小值，“关掉”LD 工作开关，红色指示灯熄灭，“关闭”电源开关，“短路”半导体激光器（短路开关向上）。警告： H
