半导体激光器特性测量实验摘要：激光器的三个基本组成部分是：增益介质、谐振腔、激励能源。

本实验通过测量半导体激光器的输出特性、偏振度和光谱特性，进一步了解半导体激光器的发光原理，并掌握半导体激光器性能的测试方法。

关键字：半导体激光器偏振度阈值光谱特性一、引言半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，常用工作物质有砷化镓（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。

半导体激光器发射激光必须具备三个基本条件：（1）产生足够的粒子数反转分布；（2）合适的谐振腔起反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）满足阀值条件，使光子的增益≥损耗。

半导体激光器工作原理是用某种激励方式，将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，在自发辐射和受激辐射的作用下，将有某一频率的光波产生（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），在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大，输出激光。

二、实验仪器半导体激光器装置、WGD-6型光学多道分析器、电脑、光功率指示仪等。

三、实验原理3.1半导体激光器的基本结构半导体激光器大多数用的是GaAs或Gal-xAlxAs材料，p-n结激光器的基本结构如图1所示，p-n结通常在n型衬底上生长p型层而形成。

在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过，这电流使结区附近的有源区内产生粒子数反转，还需要制成两个平行的端面其镜面作用，为形成激光模提供必须的光反馈。

图1中的器件是分立的激光器结构，它可以与光纤传输连成线，如果设计成更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光电路。

3.2半导体激光器的阈值条件当半导体激光器加正向偏置并导通时，器件不会立即呈现激光振荡。

小电流时发射光大都是自发辐射，光谱线宽在数百埃米数量级。

随着激励电流的增大，结区大量粒子数反转，发射更多的光子。

当电流超过阈值时，会出现从非受激光射到受激发射的突变，实际上只能观察到超过阈值电流时激光的突然发生，只要观察在光功率对激励电流曲线上斜率的急速突变，如图2所示，这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的缘故。

从定量分析，激光的阈值对应于：由受激光射所增加的激光模光子数（每秒）正好等于有散射、吸收激光器的发射所损耗的光子数（每秒）。

据此可将阈值电流作为各种材料和结构参数的函数导出一个表达式：式中，η是内量子效率，λ是发射光的真空波长，n是折射率，△γ是自发辐射线宽，e是电子电荷，D是光发射层的厚度，α是行波的损耗系数，L是腔长，R为功率发射系数。

3.3横膜和偏振态半导体激光器的共振腔具有介质波导的结构，所以在共振腔中传播光以模的形式存在，每个模都由固有的传播常数β和横向电场分布，这些模就构成了半导体激光器中的横膜。

横膜经端面出射后形成辐射场。

辐射场的角度分布沿平行于结面方向和垂直于结面方向分别成为侧横场和正横场。

辐射场的角度分布和共振腔的几何尺寸密切相关，共振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大。

由于共振腔平行于结平面方向的宽度大于垂直于结平面方向的厚度。

所以侧横场小于正横场发射角，如图3所示；侧横场发射角可近似表示为：θ≈λ/d。

所以正横场发射角较大，一般为30~40度。

辐射场的发射角还和共振腔长度成反比，而半导体激光器共振腔一般只有几百微米，所以其远场发射角远远大于气体激光器和晶体激光器的远场发射角。

半导体激光器共振腔一般是晶体的解理面，对常用的GaAs异质结激光器，GaAs 晶面对TE模的反射率大于对TM模的反射率。

因而TE模需要的阈值增益低，TE模首先产生受激光发射，反过来又抑制了TM模；另一方面形成半导体激光器共振腔的波导层一般都很薄，这一层越薄对偏振方向垂直与波导层的TM模吸收越大。

这就使得TM模增益很大，更容易产生受激发射。

因此半导体激光器输出的激光偏振度很高。

3.4纵模特性激光二极管端面部分发射的光反馈导致建立单个或多个纵光学模。

由于它类似与法布里――珞罗干涉仪的平行镜面，激光器的端面也常称为法布里――珞罗面。

当平行面之间为半波长的整数倍时，在激光器内形成驻波。

模数m可由波长的数值得出。

半导体激光器典型的光谱如图4所示；通常同时存在几个纵模，其波长接近自发辐射峰值波长。

GaAS激光器的纵模间隔的典型值为dλ≈3A。

为了实现单模工作，必须改进激光器的结构，抑制主模以外的所有其他模。

四、实验步骤1.半导体激光器的输出特性（1）开启激光功率计，将量程置于20mW档（量程选择开关置于弹出状态），预热。

（2）开启激光电源的开关，然后开启激光电源上的电流开关（即“LD短路”开关,此开关位于激光电源的后面）,通过电流调节旋钮来控制输出电流的大小，使半导体激光器输出激光。

注意：半导体激光器的p-n结非常薄，极易被击穿，所以在开、关半导体激光器的电源时，一定要防止浪涌电流的产生，否则将有可能损坏半导体激光器。

开启时，先开电源开关，再开电流开关。

关闭时，先将电流调节旋钮逆时针旋转到底，使输出电流最小（最小输出电流大于0mA，切勿用力调节旋钮），再关电流开关，最后关闭电源开关。

（3）调节激光器前面的准直透镜，使激光束经过准直后在工作范围内光斑的大小、形状变化不大。

然后调节激光器支架上的仰俯螺钉，使激光束平行于光学平台的台面。

（4）调节激光功率计的零点，将激光束垂直照射在功率计探测器光敏面的中心位置附近。

缓慢增加激光器输入电流（0mA~90mA）。

从功率计观察输出大小随电流变化的情况；（5）记录数据。

以电流值为横坐标、光功率值为纵坐标，在坐标纸上绘制出P—I关系曲线，并求出阈值电流。

实验光路如图1。

图1半导体激光器的输出特性测试光路2.半导体激光器的偏振度测量测量半导体激光器的偏振度的装置如图2所示，偏振器是带有角度读数的旋转偏振片，读出偏振片处于不同角度时，对应的半导体激光器的输出值，将实验值列表，并计算出其偏振度。

图2测量半导体激光器的偏振度3.半导体激光器的光谱特性测试图3所示的是测量半导体激光器的光谱特性的光路装置。

半导体激光器LD(650nm,＜5mW的光信号通过透镜L(f=15,φ=14)耦合进WGD-6光学多道分析器的输入狭缝，让光学多道分析器与计算机相连，从光栅单色仪输出的光信号通过CCD接收放大输出到计算机，通过控制软件的设置绘出半导体激光器的谱线。

图3半导体激光器的光谱特性光路装置五、实验数据处理及分析1.半导体激光器输出特性的测量：（1）、第一次测量：I （mA ）2456810121520P (uW)0.0300.2310.4470.668 1.103 1.614 2.34 3.50 5.51I （mA ）253035404548505253P (uW)7.9611.0114.6019.1128.538.048.261.085.0I （mA ）5560657075808590P (uW)121.837671611421546194223902700其绘制曲线图如下所示：2040608010050010001500200025003000P (u W )I (mA)功率半导体激光器电流-功率输出特性曲线2（2）、第二次测量I （mA ）24681012152025P (uW)0.0470.2570.654 1.069 1.648 2.49 3.67 5.568.16I （mA ）303540454850525355P (uW)10.9714.5119.8929.339.046.862.085.0124.9I （mA ）60657075808590P (uW)37671611411544194323.827.1其绘制曲线图如下所示：2040608010050010001500200025003000P (u W )I (mA)功率半导体激光器电流-功率输出特性曲线1分析：由图可知，该激光器的阈值大概在55mA 左右。

当激光器的正向偏置有注入电流时就有光输出，一开始输出光效率很低（即曲线的斜率很小），这一阶段是自发辐射发光阶段。

注入电流增加到阈值I th 后，发光效率开始增加，P -I 曲线开始向上弯曲成直线，表明受激辐射发光开始起作用并逐渐加大比重，载流子复合转化为受激光辐射，即粒子数反转达到光子的增益=损耗时，光子才能获得净增益并在腔内振荡激射。

此后，光输出功率随电流线性上升。

2.半导体激光器输出激光偏振度的测量：电流I/mA 光功率最大值（uW ）光功率最小值（uW ）偏振度45 1.240.610.34054054150 1.700.690.42259414255 4.80 1.200.60000000065125.619.40.73241379380296470.725947522分析：光是电磁波，具有横向和纵向分量，经过不同角度的偏振器时，其合成量就会有所改变，其光功率就会有所不同。

当输入电流小于55mA 时，其偏振度小于0.60，这是由于其电流未达到阈值电流，故不作参考；当I>55mA 时，偏振度均达到0.60以上，证明激光器偏振度很好，符合激光器单模的特性。

3.光谱特性半导体激光器的光谱特性曲线分析：当输入电流未达到阈值电流时，其光谱图的形状大致相同，成类高斯分布。

输入电流越大，峰值越大，半高宽越小。

这是由于输入电流未达到阈值电流时，光产生以自发辐射为主导，光谱能量分散，导致输出光的谱线范围较宽。

当输入电流达到阈值电流后，出射光强度和单色性发生突变，光功率值迅速增大，半高宽变小，其光谱图成类脉冲函数图像。

因为输入电流达到阈值电流后，半导体激光器的光产生由自发辐射为主导转变为受激辐射主导。

此时输出光能量高，单色性好，偏振度高。

在驱动电流为55mA、65mA、80mA时，当驱动电流逐渐增大时，光谱特性曲线的中心波长位置逐渐右移，中心波长依次增大（即红移现象），光谱波峰随着驱动电流的增大而增大。

中心波长在650nm附近。

可理解：随着驱动电流的增加，激光器有源区的粒子数反转增强，具有高Q值的模的功率增加，这些模的频率接近于增益谱特性的峰值附近，因而对应光谱的峰宽度减小。

Q值上升，光功率集中到几个占优势的波模。

当激发较强时，激光器工作于多模振荡模式，表现为空间上产生多纵模振荡。

当频率为的纵模在腔内形成稳定驻波，在波腹光强最大，但增益系数（反转集居数）最小；在波节光强最小，但增益系数（反转集居数）最大，这一现象即空间烧孔效应。

当另外一个模式振荡与增益相拟合，则会出现较弱的振荡，多个纵模的空间竞争中，随驱动电流的变化，有利的模式被激励，则形成新的驻波，辐射功率集中到新的模式中，形成跳模现象。