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1、实验十五 半导体激光器实验一、实验目的1了解半导体激光器的基本原理和基本特性；2掌握半导体激光器的使用方法。二、实验原理半导体激光器之所以受到重视，是因为它既有激光单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点，又具有半导体器件的体积小、重量轻、结构简单、使用方便、效率高和工作寿命长等优点。半导体激光器能直接利用电源对输出激光进行调制，而且发射波长恰好与光纤传输损耗最低的波段相匹配，因此，可成为光通信的理想光源。同时在CD、DVD、激光打印机、激光全息照相、光信息处理、激光高速印刷、数码显示、激光测距、激光准直、激光雷达、激光大气污染测试、光谱分析、航标、泵浦能源等领域也有广泛的应用前景。和其他激
2、光器一样，要使半导体发射激光，必须具备三个基本条件：（1）建立粒子数反转分布，以产生受激辐射；（2）建立一个能起到光反馈作用的谐振腔，以产生激光振荡；（3）满足一定的阈值条件，使得光增益大于损耗。在简单的两能级系统中，高能级的载流子数大于低能级的载流子数就实现了载流子的反转分布，受激辐射将大于受激吸收而产生光学增益。在半导体激光器中受激跃迁发生在被占据的导带电子态和价带空穴态之间，其跃迁发生在能量分布较广的能级之间，这时载流子反转分布的条件有所不同。图151（a）表示T0K时直接带隙半导体中载流子的填充情况，能量大于带隙能量Eg的入射光子将被吸收发生吸收跃迁。假若用某种激励方式使电子受激从价带
3、跃迁到导带，经一段很短驰豫时间后，电子填充情况如图141（b）所示。在一定温度T时，电子占据导带和价带中某一能级E的几率fC（E）和fv（E）满足费米-狄拉克分布，分别为式中EFC、EFV分别是导带和价带的准费米能级，R是玻尔兹曼常数。若用能量为h的光子束照射半导体系统，必然要引起光的受激辐射和吸收。要使受激辐射大于受激吸收，也就是实现载流子反转分布，必须fC（E）f（E-h）即EFC-EFVhEg获得反转分布的一个简单方法，就是利用重掺杂p型和n型半导体构成pn结，如图15-2所示。零偏压时，两区有统一的费米能级，载流子处于热平衡状态，如图15-2（a）。当加上偏压V时，pn结处于势垒降低，
4、n区向p区注入电子，p区向n区注入空穴，当h=EFC-EFVEg时，在结平面附近形成分布反转区，受激辐射占主导地位，可得到光量子的放大。此分布反转区是激光器的核心部分，称为“激活区”，或“有源区”和其他激光器一样，要使受激辐射达到发射激光的要求，即达到强度更大的单色相干光，还必须依靠光学谐振腔的作用，并使注入电流达到一定的数值阈值电流，使腔内的单程增益大于损耗，形成激光输出。图153是注入型半导体激光器的基本结构，利用适当的扩散和外延工艺制成pn结，利用垂直于pn结的两个相对的自然解理面组成谐振腔。如果这种结构中的p区和n区都采用同种半导体材料，称之为同质结半导体激光器。这种激光器的阈值电流密
5、度的数量级可达105安/厘米2。因此，尽管加装了散热器，也无法在室温下连续工作。后来，人们相继研制成单异质结、双异质结半导体激光器，使阈值电流密度大大降低，实现室温下连续工作。半导体激光器的工作特质主要是-V族化合物半导体、-族化合物半导体以及-族化合物半导体。其振荡波长覆盖范围很宽，约从30m（PbSnTe）的红外波段到320nm（ZnS）的紫外波段。目前应用最多的材料是GaAs-AlGaAs（0.8-0.9m）InP-InGaAsP(1.3-1.35m)和InP-InGaAs(1.5-1.65m)材料。半导体激光器的激励方式有：p-n结注入电流激励、电子束激励、光激励、碰撞电离激励等。目前
6、研究和应用最多的是p-n结注入电流激励，这种激励方式的半导体激光器称为激光二极管，也称为注入型半导体激光器。半导体激光器由于有源层模截面的不对称和很小的线度，其远场光斑既不对称，又具有很大的光束发散角，这是因其发射区域小，引起了衍射效应所致。图154是一个半导体激光器的典型远场辐射图，两个半功率强度点处的全角宽分别记为和，为光束发散角。三、实验设备半导体激光器及其电源激光功率计、双踪示波器、信号源、光电二极管。四、实验内容1测量半导体激光器的阈值电流实验装置如图15-5所示，把激光器输出端面正对光电二极管，开启激光器电源，缓慢增加泵浦电流，测量输出光功率随激光器泵浦电流的变化，作出P-I关系曲
7、线，将P-I曲线中出现拐点处所对应的电流值定为阈值。激光器电源激光功率计半导体激光器PIN光电二极管图15-5 测量阈值电流的实验装置2测量半导体激光器的光束发散角实验装置同上，固定半导体激光器与光电二极管的纵向距离，沿着与光束相垂直的横向X、Y方向移动光电二极管，测量不同位置的光功率，画出半导体激光器输出功率的空间分布曲线，求出光束发散角。3观察半导体激光器的调制特性实验装置如图156所示，开启信号源，将交流信号与恒流源同时注入半导体激光器，在双踪示波器上观察输出光被调制的情况，改变半导体激光器泵浦电流，观察被调制的输出光随泵浦电流的变化，并作出解释。PIN光电二极管半导体激光器激光器电源双踪示波器信号源图15-6 半导体激光器调制特性测量装置55
