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
1.半导体激光器
激光（LASER）的全称 light amplification by stimulated emission of radiation 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1960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。

2.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，多余的能量就以光的形式发射出来。

这就是半导体场致发光的机理。

3.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α<G，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
I。

值电流
th
4.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（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：
①工作波长为850nm多模光纤光通信系统（掺磷半导体激光器）；
②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）；
③工作波长为1550nm单模光纤光通信系统（掺铒光纤）。

5.半导体激光器的优缺点
优点：
①转换效率高
量子阱型的效率有20~40%，P-N型也达到数20~25%
②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：
①多纵模输出
由于半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。

②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
1.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好。

(2) 开启LD的稳流电源，功率计调零。

(3) 调整光路成水平平行，即半导体激光经准直后在5cm∼2m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。

(4) 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。

拟合直线：0.1886 3.37709light input P P =-
斜率：0.1886，表明转换效率为18.86%
拟合直线：=0.49957 4.28831light P I -
2、发射光谱的测量
（1）观测注入电流小于阈值电流时的发射光谱。

（2）观测阈值电流附近的发射光谱。

（3）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
1）用光谱仪观测光栅外腔半导体激光器的发射谱。

2）外加光栅，仔细调节使+l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。

（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驻波分布，造成不同纵模间的损耗差别；同时外腔反馈改变了模间耦合竞争情况，可使某个纵模占优势而抑制其它模式。