实验13半导体激光器实验
【实验目的】
1.通过实验熟悉半导体激光器的电学特性、光学特性。

2.掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节。

3.根据半导体激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。

4.掌握WGD-6光学多道分析器的使用
【仪器用具】
半导体激光器及可调电源、WGD-6型光学多道分析器、可旋转偏振片、旋转台、多功能光学升降台、光功率指示仪
【实验原理】
1、半导体激光器的基本结构
半导体激光器的全称为半导体结型二极管激光器，也称激光二极管，激光二极管的英文名称为laser diode，缩写为LD。

大多数半导体激光器用的是GaAs或GaAlAs材料。

P-N结激光器的基本结构和基本原理如图13-1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，这电流使得附近的有源区内产生粒子数反转（载流子反转），还需要制成两个平行的端面起镜面作用，为形成激光模提供必需的光反馈。

图13-1（a）半导体激光器结构
图13-1（b ） 半导体激光器工作原理图
2、半导体激光器的阈值条件
阈值电流作为各种材料和结构参数的函数的一个表达式：
)]1ln(21[8202R a D
en J Q th +∆=ληγπ
这里， Q
η是内量子效率，0λ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 为功率反射系数。

图13-2半导体激光器的P-I特性
图13-3 不同温度下半导体激光器的发光特性
3、伏安特性
伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质，通常用V-I曲线表示。

V-I曲线的变化反映了激光器结特性的优劣。

与伏安特性相关联的一个参数是LD的串联电阻。

对V-I曲线进行一次微商即可确定工作电流（I）处的串联电阻（dV/dI）。

对LD而言总是希望存在较小的串联电阻。

图13-4典型的V-I曲线和相应的dV/dI曲线
3、横模特性
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。

每个模都由自己的传播系数β和横向电场分布，这些模就构成了半导体激光器中的横模。

横模经端面出射后形成辐射场。

辐射场的角分布沿平行于结面方向和垂直结面方向分别成为正横场和侧横场。

辐射场的角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面方向的宽带大于垂直于结面方向的厚度。

所以侧横场小于正横场
θ=，d表示共振腔宽度。

共振发射角，如图13-5所示；侧横场发射角可近似表示为：d/λ
腔的厚度通常只有1μm左右，和波长同量级，所以正横场发射角较大，一般为30°~40°。

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的远场发射角。

图13-5 半导体激光器的远场辐射特性
图13-5（c）半导体激光器的远场辐射特性
4、纵模特性
激光器二极管端面部分的反射的反馈导致建立单个或多个纵模特性。

由于通常同时存在几个纵模，半导体激光器的典型光谱如图13-6所示，其波长接近自发辐射峰值波长，因此，为了实现单模工作须改进激光器的结构，抑制主模以外的所有其他模。

图13-6 半导体激光器的光谱图
5、偏振特性
因为半导体激光器共振腔面一般是晶体的解里面，对常用的GaAs 异质结激光器的GaAs 晶面对TE 模的反射率大于对偏振方向垂直于波导层的TM 模的反射率，因此，半导体激光器输出的激光偏振度很高，一般是9.0////≥+-=⊥
⊥I I I I P 。

【仪器介绍】
半导体激光器实验装置如图13-7所示。

图13-7 实验装置图
1、光学多道分析器：由光栅单色仪，CCD 接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D 采集单元，计算机组成，如图13-7所示。

WGD-6型光学多道分析器波长测量范围是300-900nm ，CCD 接收单元为2048个
图13-8 光学原理图
M1：反射镜、M2：反射式准光镜、M3：物镜、M4：转镜、G：平面衍射光栅、
S1：入射狭缝、P：观察窗（或出射狭缝）
入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－2mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1、S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成像在CCD上。

其中M2、M3的焦距为302.5mm；光栅G每毫米刻线600条，闪耀波长550nm。

2、WGD-6软件：其工作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设置区以及存储器信息提示区等组成，如图13-9和图13-10所示。

3、半导体激光器及可调电源：中心波长650nm，＜5mW，电流0～40mA连续可调。

4、光功率指示仪:2μW～200mW,6挡调节。

5、光学升降台：升降范围>40mm。

6、旋转台：0～360°最小刻度值1°。

图13-9 WGD-6软件工作界面
图13-10 WGD-6软件测量光谱图
【实验内容与要求】
1.半导体激光器的伏安特性和P-I特性
打开半导体激光器LD电源，调节半导体激光器的准直透镜把光耦合进光功率指示仪的接收器，用光功率指示仪读出半导体激光的输出功率。

调节半导体激光器注入电流I令其从0逐渐增加到40mA，观察半导体激光器输出功率P的变化和LD电源电压表V的变化，重复2次，将实验数据列表，并作出V-I、P-I曲线，V、P为平均功率，并找出阈值电流。

2.半导体激光器的发散角
将半导体激光器置于旋转台中心，去掉激光器的准直透镜，使半导体激光器的光发散，并让发散角最大的一面平行于旋转台面。

旋转探测器测量不同角度的光功率，记录光功率指示仪所测得的输出值，作出在不同的注入电流时，其输出值随角度的变化曲线，得到正横场发散角分布特点。

将半导体激光器旋转90°再测量侧横场发散角，绘制半导体激光器的远场辐射特性。

3.半导体激光器的偏振度测量
在探测器前加入偏振片，将偏振片从0°旋转到180°，每隔5°记录记录输出功率，计算偏振度P。

4.半导体激光器的光谱特性测试
将半导体激光器LD（650nm,<5mW）的光信号通过透镜L耦合进WGD-6光学多道分析器的输入狭缝S1，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 接受放大输出到计算机，通过控制软件的设置就绘出半导体激光器的谱线。

分析半导体激光器的输入功率对光谱的影响。

半导体的激光器的输入功率对光谱的影响在这个实验中可以看作半导体激光的注入电流对光谱的影响！
半导体激光器在不同注入电流下会进入不同的模式，一定的电流范围内可能单模工作，电流变化后可能多模工作，单模的光谱集中于一个波长附近呈现单峰，多模的光谱呈现多峰。

误差分析：（1）容易收到外界电信号等得干扰，导致实验数据有偏差。

【思考问题】
1.半导体激光器为什么存在阈值电流？阈值电流与那些因素有关？
半导体激光器又称激光二极管，二极管的PN结加正向电压时，可以有较大的正向扩散电流，即呈现低电阻，我们称PN结导通；PN结导通了二极管才开始工作，因此存在阈值电流。

与二极管的材料、温度有关。

2.与气体激光器相比，半导体激光器具有那些优缺点？
优：价格便宜
体积小
可以做高速调制
功率可以很方便的进行各种调制
缺：半导体激光管（LD）的激光输出功率会随其壳体的温度变化而有较大变化。

半导体激光器的中心波长的一致性比较差，不同批次的半导体激光管的中心波长一般来说都会略有差别。

半导体激光管（LD）的发出的激光束的发散角非常大，且两个方向的发散角不同，所以绝大多数半导体激光模块都要对半导体激光管发出的激光进行光束整形。