1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告半導(dǎo)體激光器輸出光譜測量實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2017.03.04一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解半導(dǎo)體激光器的基本原理及基本參數(shù)； 2、測量半導(dǎo)體激光器的輸出特性和光譜特性； 3、了解外腔選模的機(jī)理，熟悉光柵外腔選模技術(shù)； 4、熟悉壓窄譜線寬度的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1.半導(dǎo)體激光器激光（LASER）的全稱lightamplificationbystimulatedemissionofradiation 意為通過受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)光放大。激光器的基本組成如下圖：必要組成部分無外乎：諧振腔、增益介質(zhì)、泵浦源。在此基礎(chǔ)上，激光產(chǎn)生的條件有二：1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)通過外界向工作物質(zhì)輸入能量，使粒子大部分處于高能態(tài)，而非基態(tài)。2）

2、躍遷選擇定則粒子能夠從基態(tài)躍遷到高能態(tài)，需要兩個(gè)能級之間滿足躍遷選擇定則，電子相差的奇數(shù)倍角動量差。世界上第一臺激光器是1960年7月8日，美國科學(xué)家梅曼發(fā)明的紅寶石激光器。1962年世界上第一臺半導(dǎo)體激光器發(fā)明問世。2.半導(dǎo)體激光器的基本原理半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)(既利用電子)在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。沒有雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。如果在本征半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)原子，則在導(dǎo)帶之下和價(jià)帶之上形成了雜質(zhì)能級，分別稱為施主能級和受主能級。有施主能級的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體；

3、有受主能級的半導(dǎo)體稱這p型半導(dǎo)體。在常溫下，熱能使n型半導(dǎo)體的大部分施主原子被離化，其中電子被激發(fā)到導(dǎo)帶上，成為自由電子。而p型半導(dǎo)體的大部分受主原子則俘獲了價(jià)帶中的電子，在價(jià)帶中形成空穴。因此，n型半導(dǎo)體主要由導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電；p型半導(dǎo)體主要由價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電。若在形成了p-n結(jié)的半導(dǎo)體材料上加上正向偏壓，p區(qū)接正極，n區(qū)接負(fù)極。正向電壓的電場與p-n結(jié)的自建電場方向相反，它削弱了自建電場對晶體中電子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙作用，使n區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下，源源不斷地通過p-n結(jié)向p區(qū)擴(kuò)散，在結(jié)區(qū)內(nèi)同時(shí)存在著大量導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴時(shí)，它們將在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生復(fù)合，當(dāng)導(dǎo)帶中的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)

4、，多余的能量就以光的形式發(fā)射出來。這就是半導(dǎo)體場致發(fā)光的機(jī)理。3.閾值電流對于半導(dǎo)體激光二極管來說，當(dāng)正向注入電流較低時(shí)，增益G，此時(shí)半導(dǎo)體激光器只能發(fā)射熒光；隨著電流的增大，注入的非平衡載流子增多，使增益接近損耗，尚未克服損耗，在腔內(nèi)無法建立起一定模式的振蕩，這種情況被稱為超輻射；當(dāng)注入電流增大到某一值時(shí)，增益將克服損耗，半導(dǎo)體激光器能輸出激光，此時(shí)的注入電流值定義為閾值電流。4.半導(dǎo)體激光器與光纖通信自1980年代起，光纖通訊系統(tǒng)對于電信工業(yè)產(chǎn)生了革命性的影響 ，同時(shí)也在數(shù)位時(shí)代里扮演非常重要的角色。光纖通信傳輸容量大，保密性好等優(yōu)點(diǎn)。光纖通信現(xiàn)在已經(jīng)成為當(dāng)今最主要的有線通信方式。1966

5、年，英籍華人高錕（C. K. Kao)預(yù)見利用玻璃可以制成衰減為20dB/Km的通信光導(dǎo)纖維（即光纖）。1970年，美國康寧（Corning）公司首先研制成衰減為20dB/Km的光纖。在數(shù)十年的發(fā)展過程中，光纖通信系統(tǒng)經(jīng)歷了三代： 工作波長為850nm多模光纖光通信系統(tǒng)（摻磷半導(dǎo)體激光器）； 工作波長為1330nm多模光纖光通信系統(tǒng)和單模光纖光通信系統(tǒng)（摻鉺半導(dǎo)體激光器）； 工作波長為1550nm單模光纖光通信系統(tǒng)（摻鉺光纖）。5.半導(dǎo)體激光器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率高量子阱型的效率有2040%，P-N型也達(dá)到數(shù)2025%輻射范圍廣通過對半導(dǎo)體摻雜，可以獲得從280nm-1600nm之間的各種波

6、長激光。缺點(diǎn)：多縱模輸出由于半導(dǎo)體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復(fù)合輻射發(fā)生在能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，所以激光線寬較寬。GaAs激光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見其單色性較差。輸出激光的峰值波長：77K時(shí)為840nm；300K時(shí)為902nm。光斑不夠均勻半導(dǎo)體激光器的光斑取決于使用的P-N結(jié)的形狀，雖然P-N結(jié)可以利用解理面構(gòu)成相當(dāng)良好的腔鏡結(jié)構(gòu)，但是外部形狀則不容易做成圓形，因而半導(dǎo)體激光器的光斑不圓，呈長條狀，發(fā)散，不均勻。由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達(dá)20-30；在結(jié)的水平面內(nèi)約為10左右。三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1.閾值電流測量(1) 檢查穩(wěn)流電源的

7、輸出與激光二極管是否連接正確和接觸良好。(2) 開啟LD的穩(wěn)流電源，功率計(jì)調(diào)零。(3) 調(diào)整光路成水平平行，即半導(dǎo)體激光經(jīng)準(zhǔn)直后在5cm2m的范圍內(nèi)光斑大小、形狀基本不變；使光斑中央的亮線呈水平。(4) 將激光打在功率計(jì)上，測量出閾值電流的大致位置（約為8mA），從0mA開始，每次加2mA，到達(dá)8-10mA中每次加0.5mA，加到飽和為止。(5) 幾率電流值、電壓值、光功率，并求出閾值電流。IUP-lightP-inputmAVmWmW01.690021.9103.8241.9907.9662.06012.3682.110.0216.888.52.130.0218.10592.140.0419

8、.269.52.150.1620.425102.170.4621.7122.221.6426.64142.272.831.78162.313.8436.96182.344.7842.12202.385.7647.6222.426.7353.24242.457.7958.8262.498.8464.74282.519.8370.28302.5610.876.8322.9511.6594.432.53.4611.78112.4532.73.6411.82119.028擬合直線：斜率：0.1886，表明轉(zhuǎn)換效率為18.86%擬合直線：橫截距：4 表明閾值電流為8.584mA2、發(fā)射光譜的測量（1）觀

9、測注入電流小于閾值電流時(shí)的發(fā)射光譜。（2）觀測閾值電流附近的發(fā)射光譜。（3）觀測大于閾值電流時(shí)的發(fā)射光譜，并測量線寬。3、譜線寬度的壓窄及測量1）用光譜儀觀測光柵外腔半導(dǎo)體激光器的發(fā)射譜。2）外加光柵，仔細(xì)調(diào)節(jié)使+l級衍射反饋回到激光腔內(nèi)，用0級輸出。適當(dāng)調(diào)整光柵的角度，可使光柵只有0、1兩個(gè)級次衍射。此時(shí)，電流置于閾值附近(稍低)，調(diào)節(jié)光柵的微調(diào)鈕可得到窄線寬激光輸出。得到外腔反饋的激光輸出后，用聚焦透鏡和自聚焦光纖將光輸入光譜儀觀測發(fā)射光譜。物理原因：利用激光外腔光反饋法壓窄激光線寬和選擇單縱模。該系統(tǒng)利用閃耀光柵的選頻特性壓窄激光線寬和選取單縱模，同時(shí)，改變光柵角度，還可選取不同波長，以實(shí)現(xiàn)激光輸出的波長調(diào)諧。從原理上講外腔反饋可以從兩個(gè)方面使線寬變窄：（1）加入外腔等于增大腔長。（2）引入反饋可以增加受激輻射抑制自發(fā)輻射。外反射器與半導(dǎo)體激