文章编号:1002-2082(2009)04-0712-05
一种大功率窄脉冲半导体激光器测试台的研制
陈胜石1
,欧秋晔1
,宁子立1
,薛常佳1
,纪 明1
,周丽华2
,张晓辉
1
(1.西安应用光学研究所,陕西西安710065;2.中国人民解放军驻西光集团军代室,陕西西安710043)
摘 要:大功率窄脉冲半导体激光器主要光电性能参数为:输出峰值光功率、阈值电流、正向电压、上升时间、峰值波长、光谱半宽、半强度角。根据激光制导系统对大功率窄脉冲激光器参数的特殊测试要求,研制一种大功率窄脉冲激光器测试平台,将小型化大功率激励器功放模块、大范围可调DC-DC 模块、信号源板、激光器座、光学准直镜集成在一个平台上,与峰值功率计、光谱仪、CCD 摄像机等仪器配合,可测出大功率窄脉冲激光器的峰值功率、峰值波长及波长随温度变化的漂移特性、发光芯均匀性等参数。介绍了大功率窄脉冲激光器测试台的特点,并对测试结果作了论述。
关键词:大功率窄脉冲半导体激光器;发光芯;激励器;峰值波长
中图分类号:T N 248.1 文献标志码:A
Test setup for high power narrow pulsese miconductor laser
CHEN Sheng -shi 1,OU Qiu -ye 1,NING Zi -li 1,XU E Chang -jia 1
,
JI M ing 1,ZHOU Li -hua 2,ZHANG Xiao -hui
1
(1.X i ’an Instit ut e of A pplied Optics,X i ’an 710065,China ;
2.M ilitar y R epr esent ativ e Office P osit ioned in Xig uang Com pany G r oup by PL A ,X i ’an 710043,China)
Abstract :According to the special test request of the laser g uidance sy stem for the hig h pow er nar row pulse semico nductor lasers,a test setup for testing peak optical pow er output,threshold current ,forw ard vo ltag e ,rise time ,peak w av elength and spectrum w idth o f the hig h pow er nar row pulse sem iconducto r lasers w as developed.T he setup consists of the miniaturization po w er -am plificatio n m odule of hig h-pow er actuato r,larg e-scale adjustable DC-DC module,sig nal generator ,collimating mirr or ,laser peak pow er meter ,laser spectr um analy zer and CCD pickup camera.T he peak pow er o f emissio n,peak wav elength of em issio n,w avelength drift characteristic with tem perature and luminous core uniformity o f high pow er nar row pulse semiconductor lasers can be tested .The featur es of the test setup are presented and the test results are elabor ated .
Key words :high pow er nar row pulse semiconductor laser;test setup of sem iconductor laser;actuato r;peak w av elength
收稿日期:2009-02-27; 修回日期:2009-04-02
作者简介:陈胜石(1963-),男,陕西周至人,博士研究生,高级工程师,主要从事激光制导研究工作。E-mail:css.chshsh@163.co m
第30卷第4期2009年7月 应用光学Jo ur nal o f A pplied O ptics
V ol.30N o.4
Jul.2009
引言
半导体激光器具有体积小、转换效率高、易调制等优点,随着半导体激光器发射波长范围的扩展,输出功率的增加,可靠性及使用寿命的提高,半导体激光器的优势更加明显,应用领域越来越广[1]。半导体激光器工作方式为连续脉冲工作,其中脉冲工作又分为长脉冲和窄脉冲工作。
大功率窄脉冲半导体激光器主要用于军事领域[2],如激光制导、激光雷达、激光测距、激光引信、激光瞄准告警、激光模拟武器、激光通信和激光陀螺等。大功率指脉冲峰值功率从数瓦至数百瓦,一般为:1W～500W。窄脉冲常指脉冲宽度范围为10ns～250ns。因应用目的不同,关心的激光器参数略有不同。常用光电参数有:峰值功率、峰值波长、光谱半宽、半强度角、发光区形式及面积、占空比、脉冲宽度、峰值电流、阈值电流、工作电压。目前国内研究院所虽然能生产出大功率脉冲激光器,但其参数测试系统很不完善,通常由通用设备直流稳压源、信号发生器、激励器、光具座、光学镜头等临时搭建,测试系统显得非常庞大复杂。由于通用稳压源电压调试范围小,可测的激光器的峰值电流与峰值功率范围较小,且每次仅能对激光器的单项电参数进行测试。在测试发光参数时,还需在电参数测试系统上临时搭建光学系统,测试就显得更加困难。并且测试系统操作复杂,易损坏激光器,测试参数的重复性差,测试效率低,难以满足对大批量半导体激光器的测试筛选需求。激光制导系统对大功率窄脉冲激光器的峰值功率、激光芯发光均匀性、峰值波长有严格的要求,我们针对不同结构种类大功率脉冲半导体激光器的峰值电流和工作电压相差较大,研制出小型化大功率脉冲半导体激光器激励模块[3],将小型化大功率激励器功放模块、大范围可调DC-DC模块、信号源板、激光器座、光学准直镜集成在一个平台上。本文主要介绍其结构和技术特点。
1 大功率窄脉冲半导体激光器测试台的构成
大功率窄脉冲半导体激光器测试台由信号源板、拨位开关、激励器功放模块、大范围可调DC-DC变换器模块、激光器安装台架、准直镜架构成,
如图1所示。
图1 大功率窄脉冲半导体激光器测试台
Fig.1 Test setup f or high power narrow pulse
semiconductor lasers
1.1 信号源板
信号源板产生脉冲电信号,给激光激励器提供
一定频率或数据率的触发脉冲信号,可安装在台架
上或电子仓内。信号源板可根据激光发射机系统工
作体制来设计,如对激光制导系统,信号源板由发
控编码电路和调制器电路组成。通用的信号源板由
数字电路构成信号发生器。一种通用信号源原理图
如图2所示。
图2 信号源原理图
Fig.2 Schematic diagram of signal source
这是自激式脉冲发生器,是用一个N1四2与
非门构成的多谐振荡器。这种振荡器可以自行起
动,输出脉冲上升、下降时间短,可以调节频率和波
形的对称性。
门A、门B、门C构成多谐振荡器。门B是具有
高频旁路的倒相级。电容C1形成正反馈通道以提
高上升速度,同时还可以产生一定的延迟时间。门
D是倒相级,提供倒相输出。C1和R2控制振荡频
率,R1可以改变输出波形的对称性。
N2为同向缓冲器,起隔离信号源与激励功放
模块的作用。
1.2 拨位开关
统计表明,半导体激光器突然失效,有一半以
上的几率是由于浪涌击穿[4]。产生浪涌的原因是多
方面的,电源的开启和断开时是产生浪涌一个主要
原因,为了消除浪涌对半导体激光器的破坏,除了
在激励器电源采用软启动电路外,在信号源输出端
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应用光学 2009,30(4) 陈胜石,等:一种大功率窄脉冲半导体激光器测试台的研制
增加拨位开关对激光器发光进行控制(见图2中的S1),以保护激光器。操控拨位开关(S1)的时序为:上电时拨位开关处于“关”状态,上电后需要发射激光时将拨位开关拨至“ON ”位置;断电时,应先将拨位开关拨至“关”位置,然后再切断电源。实践证明,这种方法对激光器的保护是行之有效的。1.3 激励器功放模块
半导体激光器是依靠载流子直接注入而工作的,通过调节激励器(又称半导体激光电源)的电流大小来调节输出激光功率。大功率脉冲半导体激光器的激励器由DC-DC 变换器、脉冲形成电路及脉冲放大电路组成。小型大功率脉冲激励器框图如图3
所示。
图3 大功率脉冲激励器原理框图Fig .3 Principle of high power pulse actuator
为了激光组件安装方便,将图3中的电路封装成小型模块,称为功放模块,它是激励器的核心部分。DC-DC 变换器将直流低压变换成所需的直流
高压。
激励器功放模块产生固定窄脉宽大电流脉冲,激射半导体激光器。激励器功放模块包括脉冲形成电路、电流放大电路和激光器正极管座。其电路原理图略,激励器在图1中标出(详见我们发表的论文[3]),其特点:1)模块化。将电路和激光器电极均封装在模块中,巧妙解决激励器放电系统外特性与激光二激管负载相匹配难的问题。2)抗干扰能力强。窄脉冲形成电路采用积分型单稳电路,抗尖峰脉冲干扰信号的能力强。3)脉冲宽度调节容易。仅通过调节电位器就能调节脉冲宽度。1.4 激励器DC-DC 变换器
小型DC-DC 变换器为激光器提供所需的稳定
高压,采用PWM 集成电路控制的推挽开关电路,控制电路TL494是一种性能优良、功能齐全的PWM 调整器,在开关电源中得到广泛应用。功率开关采用VM OS 功率管,VM OS 功率管以其高输入阻抗及高反应速度使其成为理想的开关器件。其特点:1)小型模块化。采用100kHz 高频工作,使变压器体积和重量大幅减小。2)保护功能齐全。具有过流、过压保护功能,最主要的保护功能是软启动,从根本上保证了半导体激光器不会受到电源
开启或关断时而产生的电冲击的影响。3)电压调节范围大。通过调节电位器,可将电压从26V 调至90V 。
1.5 激光器安装座
激光器安装座的设计是激光器测试台设计关键技术之一。首先必须考虑是激光器散热问题。
温度的变化对半导体激光器的阈值产生明显的影响。温度升高,半导体激光器的阈值电流密度或阈值电流升高,其增大的幅度随不同激光器的材料体系和器件结构而异。根据试验测定,J th 随T 的变化满足指数关系:
J th (T r + T )=J t h (T r )exp
T -T r
T 0
式中:T r 为室温;J th (T r )为室温下的阈值电流密
度;T 0是表征半导体激光器温度稳定性的重要参数,成为特征温度。
可见,温度与注入电流的变化是影响半导体激
光器性能的重要因素。表现在激光器性能上阈值电流I th 随温度的升高而增大,激射波长向长波长方向漂移。
要获得准确的激光器测试参数,首先要排除温度的影响。军用大功率脉冲半导体激光器封装形式常为同轴芯极,外壳为负极,轴心芯极为正极,测试台采用64mm ×64m m ×8mm 的铝板作激光器座(负极),打孔拱丝。该板既起散热作用,还是安装激励器功放模块的支撑架,激光器座用绝缘底座隔离。激光正极座用中心有通孔的铜块制作,该铜块焊接在功放模块上,侧面用2个铜螺钉将激光器正极顶紧,避免直接插入管座造成时通时断而产生接触过电压浪涌过程(如图1所示)。1.6 激光器准直镜
激光准直系统由光学镜头、镜筒座、云台组成,镜筒与激光器安装孔须对中心。准直镜采用单正透镜,准直光学系统在测试激光器发光芯发光均匀性时使用。该系统结构特点:仅固定有圆角的云台一角,测激光器功率时将云台上光学系统方便地旋转离开光路,测激光器发光芯均匀性时可将云台上光学系统方便地旋转进入光路。该光学系统调好后,测试效率极高。
1.7 大功率窄脉冲半导体激光器测试台尺寸
大功率窄脉冲半导体激光器测试台尺寸为:长×宽×高(125mm ×116m m ×200mm ),实物图
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714?应用光学 2009,30(4) 陈胜石,等:一种大功率窄脉冲半导体激光器测试台的研制
如图4
所示。
图4 大功率窄脉冲半导体激光器测试平台Fig .4 Photograph of setup for testing high power
narrow pulse semiconductor lasers
2 大功率窄脉冲半导体激光器参数测试方法
2.1 激光器功率测试
军用激光产品对大功率半导体激光器的峰值功率有严格的要求,对激光器的测试环境温度、测试脉冲频率、脉冲宽度、峰值电流均有严格的规定。该文的测试对象为大功率脉冲半导体列阵激光器,激光器功率测试如图5所示。戴防静电手套,将激光器旋进激光器座螺钉孔,调整激光正极座的加紧螺钉,将功率探头移近激光器,使激光器处在功率探头窗口中心,打开电源,调整信号源电位器,
使频
图5 激光器功率测试图Fig .5 Test diagram of laser power
率达到规定要求,将拨位开关置于“ON ”位置;调整激励器DC -DC 变换器上的电位器,使激励电流升到测试条件要求;调节激励器功放模块上电位器将脉冲宽度调至测试条件要求;用两通道100M Hz 以上的示波器观察激励电流脉冲(通道1)和光输出电压(通道2),光输出电压乘以标定系数,得出的数值即为激光器测试功率值。功率计探头是脉冲半导体激光器的专测设备,标定系数为44.44W /V ,定义为峰值功率计灵敏度。测试的电流脉冲和光功率
脉冲如图6所示。
图6 电流脉冲与光功率脉冲图
Fig .6 Curves of current pulse and optical power pulse
2.2 激光器发光芯均匀性测试
激光制导系统对激光投射光斑的均匀性有严格要求,为满足系统要求,首先必须对大功率窄脉冲激光器的发光芯均匀性进行筛选。我们根据系统要求,建立了激光器发光芯均匀性测试如图7所示。图8为一激光器发光芯图。
图7 激光器发光芯测试图
Fig .7 Test diagram of luminous core of laser
图8 激光器发光芯图
Fig .8 Photograph of luminous core of laser
2.3 激光器波长测试
激光器波长是激光制导武器中的关键参数,半导体激光器波长随温度变化而变化,激光接收机为了提高光信噪比,光学系统均有窄带干涉滤光片。所以,对激光器波长测试是激光器筛选时的一项重要工作。常温测试激光器波长仅需将测试台对准光谱仪窗口即可,高低温环境下测试激光器波长时,须将激光器测试平台放入带玻璃窗口的温度箱内,激光经准直后通过温度箱窗口射入光谱仪窗口可测出不同温度箱的辐射波长,如图9所示。采用的光谱仪为国防科工委光学一级计量站研制的瞬态
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分光辐射仪,型号为SG -100,光谱范围为350nm ～1100nm ;谱线分辨率为2nm;波长准确度为0.5nm
。
图9 激光波长随温度变化测试图Fig .9 Test f or variation of laser wavelength
with temperature
3 结论
本文研制的大功率窄脉冲半导体激光器测试平台可以完成军用激光产品对激光器功率、波长、发光芯均匀性的测试要求,也可作为脉冲半导体激光器光电参数通用测试平台。该平台测试效率高,如电流、脉冲宽度、工作电压、工作频率与峰值功率的测试往往能在一次测试过程中完成,且重复性好。
具体测试特点及性能范围如下:
1)脉冲电流大且可调,可调范围为20nm ～8nm;
2)脉冲宽度可调,可调范围为50ns ～250ns ;
3)激光功率测试范围为1W ～300W ;
4)工作电压可调,可调范围为26V ～90V;
5)无焊点测试;
6)光电参数测试一体化。
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研究生《电子技术综合实验》课程报告 题目：半导体器件综合参数测试 学号 姓名 专业 指导教师 院（系、所） 年月日
一、实验目的： （1）了解、熟悉半导体器件测试仪器，半导体器件的特性，并测得器件的特性参数。掌握半导体管特性图示仪的使用方法，掌握测量晶体管输入输出特性的测量方法。 （2）测量不同材料的霍尔元件在常温下的不同条件下（磁场、霍尔电流）下的霍尔电压，并根据实验结果全面分析、讨论。 二、实验内容： （1）测试3AX31B、3DG6D的放大、饱和、击穿等特性曲线，根据图示曲线计算晶体管的放大倍数； （2）测量霍尔元件不等位电势，测霍尔电压，在电磁铁励磁电流下测霍尔电压。 三、实验仪器： XJ4810图示仪、示波器、三极管、霍尔效应实验装置 四、实验原理： 1.三极管的主要参数： （1）直流放大系数h FE：h FE=（I C-I CEO）/I B≈I C/I B。其中I C为集电极电流，I B为基极电流。 基极开路时I C值，此值反映了三极管热稳定性。 （2）穿透电流I CEO ： （3）交流放大系数β：β=ΔI C/ΔI B （4）反向击穿电压BV CEO：基极开路时，C、E之间击穿电压。 2.图示仪的工作原理： 晶体管特性图示仪主要由阶梯波信号源、集电极扫描电压发生器、工作于X-Y方式的示波器、测试转换开关及一些附属电路组成。晶体管特性图示仪根据器件特性测量的工作原理，将上述单元组合，实现各种测试电路。阶梯波信号源产生阶梯电压或阶梯电流，为被测晶体管提
供偏置；集电极扫描电压发生器用以供给所需的集电极扫描电压，可根据不同的测试要求，改变扫描电压的极性和大小；示波器工作在X-Y状态，用于显示晶体管特性曲线；测试开关可根据不同晶体管不同特性曲线的测试要求改变测试电路。（原理如图1） 上图中，R B、E B构成基极偏置电路。当E B》V BE时，I B=（E B-V BE）/R B基本恒定。晶体管C-E之间加入锯齿波扫描电压，并引入小取样电阻RC，加到示波器上X轴Y轴电压分别为：V X=V CE=V CA+V AC=V CA-I C R C≈V CA V Y=-I C·R C∝-I C I B恒定时，示波器屏幕上可以看到一根。I C-V CE的特征曲线，即晶体管共发射极输出特性曲线。为了显示一组在不同I B的特征曲线簇I CI=φ应该在X轴锯齿波扫描电压每变化一个周期时，使I B也有一个相应的变化。应将E B改为能随X轴的锯齿波扫描电压变化的阶梯电压。每一个阶梯电压能为被测管的基极提供一定的基极电流，这样不同变化的电压V B1、V B2、V B3…就可以对应不同的基极注入电流I B1、I B2、I B3….只要能使没一个阶梯电压所维持的时间等于集电极回路的锯齿波扫描电压周期。如此，绘出I CO=φ（I BO，V CE）曲线与I C1=φ（I B1，V CE）曲线。 3.直流电流放大系数h FE与工作点I,V的关系 h FE是晶体三极管共发射极连接时的放大系数，h FE=I C/I B。以n-p-n晶体管为例，发射区的载流子（电子）流入基区。这些载流子形成电流I E，当流经基区时被基区空穴复合掉一部分，这复合电流形成IB，复合后剩下的电子流入集电区形成电流为IC，则I E=IB+IC。因IC>>IB 所以一般h FE=IC/IB都很大。
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。
谷老师谈话整理——激光器验收 一、仪器基本情况及关键指标 锁模紫外激光器主要技术参数：1)波长(nm)：355；2)输出模式：TEM00（高斯光）；3)工作模式：锁模，准连续激光（由于脉冲频率很高，几乎相当于连续的）；4)重复频率(MHz)：100±1；5)平均功率(mW)：150；6)功率稳定性(over 8 hours)：< ±1% rms； 7)脉宽：﹥10ps；8)预热时间(minutes)：<10；9)光斑发散角(mrad)： <2.0；10) 光斑直径(mm)：0.9 ±15%；11) 工作温度(℃)：15～ 35；12) 偏振：水平偏振。 二、验收项目 1)波长(nm):355；4)重复频率(MHz):100±1；5)平均功率(mW)： 150；6)功率稳定性(over 8 hours) :< ±1% rms；7)脉宽: ﹥10ps； 9)光斑发散角: (mrad)：<2.0；10) 光斑直径: (mm)：0.9 ±15%；11) 工作温度(℃)：15～35；12) 偏振：水平偏振。 关键验收指标：激光器的稳定性、均匀性、持续时间，涉及到的关键指标有：脉冲宽度、重复频率、平均功率（峰值功率）、光斑发散角 注：以上指标在不同温度下测试 三、验收仪器 波长计（光谱仪）、光电探测器（将光信号转换为电信号）、示波器、功率计、光束分析仪（光斑分析仪） 四、验收方法与操作流程
1）结合光电探测器+示波器：通过示波器可观看到激光的脉冲宽度、重复频率、功率峰值大小，并观察其稳定性情况，正 常情况下各项指标误差在±2%以内； 2）功率计：测试平均功率密度； 注：结合偏振片还可测试偏振方向，改变偏振片取向看功率 计中入射功率的变化。 3）波长计或光谱仪：测试波长纯度，应满足误差不超过±1%； 4）光束分析仪或光斑分析仪：测试光斑直径大小和衍射角注：当没有上述仪器时，可以简单设计以下测试方案：即，在激光光路上的不同位置记录下光斑直径的大小，测量相应位置距离，即可计算出衍射角大小 5) 功率均匀性测试方法：光束先后经过透镜、光阑，光束经过光阑调制后进入功率计，测试不同位置功率大小。 6）BBO晶体正入射的调制方法：光束经透镜聚焦后经过光阑调制进入BBO晶体，如果BBO没有垂直放置的话，经BBO反射的激光将不能反射返回进入光阑中（聚焦透镜应该选择吸收和散射较少的，一般要求石英制作透镜）。 注意：1）355nm激光不能直接打到光电探测器上，2）观察各项测试指标在其连续工作数小时后是否保持稳定，可以每隔一小时测试一次；
大功率半导体激光器件最新发展现状分析 1 引言 半导体激光器由于具有体积小、重量轻、效率高等众多优点，诞生伊始一直是激光领域的关注焦点，广泛应用于工业、军事、医疗、通信等众多领域。但是由于自身量子阱波导结构的限制，半导体激光器的输出光束质量与固体激光器、CO2激光器等传统激光器相比较差，阻碍了其应用领域的拓展。近年来，随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术的飞速发展，特别是在直接半导体激光工业加工应用以及大功率光纤激光器抽运需求的推动下，具有大功率、高光束质量的半导体激光器飞速发展，为获得高质量、高性能的直接半导体激光加工设备以及高性能大功率光纤激光抽运源提供了光源基础。 2 大功率半导体激光器件最新进展 作为半导体激光系统集成的基本单元，不同结构与种类的半导体激光器件的性能提升直接推动了半导体激光器系统的发展，其中最为主要的是半导体激光器件输出光束发散角的降低以及输出功率的不断增加。 2.1 大功率半导体激光器件远场发散角控制 根据光束质量的定义，以激光光束的光参数乘积（BPP）作为光束质量的衡量指标，激光光束的远场发散角与BPP成正比，因此半导体激光器高功率输出条件下远场发散角控制直接决定器件的光束质量。从整体上看，半导体激光器波导结构导致其远场光束严重不对称。快轴方向可认为是基模输出，光束质量好，但发散角大，快轴发散角的压缩可有效降低快轴准直镜的孔径要求。慢轴方向为多模输出，光束质量差，该方向发散角的减小直接提高器件光束质量，是高光束半导体激光器研究领域关注的焦点。 在快轴发散角控制方面，如何兼顾快轴发散角和电光效率的问题一直是该领域研究热点，尽管多家研究机构相续获得快轴发散角仅为3o，甚至1o的器件，但是基于功率、光电效率及制备成本考虑，短期内难以推广实用。2010年初，德国费迪南德-伯恩研究所(Ferdinand-Braun-Inst itu te)的P. Crump等通过采用大光腔、低限制因子的方法获得了30o快轴发散角（95%能量范围），光电转换效率为55%，基本达到实用化器件标准。而目前商用高功率半导体激光器件的快轴发散角也由原来的80o左右（95%能量范围）降低到50o以下，大幅度降低了对快轴准直镜的数值孔径要求。 在慢轴发散角控制方面，最近研究表明，除器件自身结构外，驱动电流密度与热效应共同影响半导体激光器慢轴发散角的大小，即长腔长单元器件的慢轴发散角最易控制，而在阵列器件中，随着填充因子的增大，发光单元之间热串扰的加剧会导致慢轴发散角的增大。2009年，瑞士Bookham公司制备获得的5 mm腔长，9XX nm波段10 W商用器件，成功将慢轴发散角（95%能量范围）由原来的10o～12o降低到7o左右；同年，德国Osram公司、美国相干公司制备阵列器件慢轴发散角（95%能量范围）也达7o水平。 2.2 半导体激光标准厘米阵列发展现状 标准厘米阵列是为了获得高功率输出而在慢轴方向尺度为1 cm的衬底上横向并联集成多个半导体激光单元器件而获得的半导体激光器件，长期以来一直是大功率半导体激光器中最常用的高功率器件形式。伴随着高质量、低缺陷半导体材料外延生长技术及腔面钝化技术的提高，现有CM Bar的腔长由原来的0.6～1.0 mm增大到2.0～5.0mm，使得CM Bar输出功率大幅度提高。2008年初，美国光谱物理公司Hanxuan Li等制备的5 mm腔长，填充因子为83%的半导体激光阵列，利用双面微通道热沉冷却，在中心波长分别为808 nm，940 nm，980 nm处获得800 W/bar，1010W/bar，950 W/bar的当前实验室最高CM Bar连续功率输出水平。此外，德国的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等多家半导体激光供应商也相续制备获得千瓦级半导体激光阵列，其中Oclaro公司的J. Müller等更是明确指出，在现有技术
半导体激光器常用参数的测定 一 实验目的：掌握半导体激光器常用的电学参数及其测试方法 一 实验基本原理 1、 普通光源的发光——受激吸收和自发辐射 普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2）的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为 12E E h -=ν 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E 的原子数密度N 的大小时随能级E 的增加而指数减小，即N ∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为 ]/)(ex p[/1212kT E E N N --∝ 式中k 为波耳兹曼常量，T 为绝对温度。因为E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV ，第一激发态能量为E2=-3.4eV ，在20℃时，kT≈0.025eV，则 0)400ex p(/12≈-∝N N 可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。 2、 受激辐射和光的放大 由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数n(n=1,2,…)决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L 和自旋角动量s ，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨道角动量，波尔曾给出了量子化公式Ln ＝nh ，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。 量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l （角动量量子数）量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称受激辐射。受激辐射的概念世爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。 受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频
太原理工大学现代科技学院 课程实验报告 专业班级 学号 姓名 指导教师
实验名称 半导体激光器P-I 特性测试实验 同组人 专业班级 学号 姓名 成绩 一、 实验目的 1. 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 2. 了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系 3. 掌握半导体激光器P （平均发送光功率）-I （注入电流）曲线的测试方法 二、 实验仪器 1. ZY12OFCom13BG 型光纤通信原理实验箱 1台 2. 光功率计 1台 3. FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1根 4. 万用表 1台 5. 连接导线 20根 三、 实验原理 半导体激光二极管（LD ）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E 2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E 1，这个过程称为光的受激辐射。所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。）是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW ）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm ），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz ）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流I th 尽可能小，I th 对应P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验四）大， ……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………
光机电信息 Ｓｅｐ．２００８ 钛蓝宝石激光器反射镜 新加坡ＥｄｍｏｕｎｄＯｐｔｉｃｓ公司拥有一系列用于超快激光系统的钛蓝宝石激光反射镜。钛蓝宝石激光反射镜可以使激光脉冲保持平坦的群速度色散曲线，中心波长为８００ｎｍ，在７００～９００ｎｍ范围内曲线都可以保持平坦。 反射镜的直径在１２．７～２５．４ｍｍ之间，厚度为 ６．３５ｍｍ，表面质量为１０－５，表面精度为１／１０波长。 镜子的强度很高，对于脉冲长度为１５０ｆｓ的激光脉冲或１００ｋＷ／ｃｍ２的连续激光，镜子可以承受高达 ０．５Ｊ／ｃｍ２的激光能量。对于７３０～９００ｎｍ波长的偏振 光ｓ和ｐ偏振光，反射镜都可以做到１００％的有效反射。 这些反射镜加工精细，平行度优于５ａｒｃｍｉｎ．，通光口径达到８５％，直径公差为＋０．０／－０．２ｍｍ，厚度公差为±０．２ｍｍ。入射光角度设计为４５°，用于超快激光光束的转向。 ｗｗｗ．ｅｄｍｏｕｎｄｏｐｔｉｃｓ．ｃｏｍ 高功率半导体激光器 德国ＬＩＭＯ公司发布了一种高功率半导体激光 器－ＬＩＭＯ５０－Ｌ２８ｘ２８－ＤＬ７９５－ＥＸ４７３。该激光器可以形成２８ｍｍ×２８ｍｍ×８０ｍｍ的均匀光场，输出功率达到了５０Ｗ，中心波长为７９４．８ｎｍ±０．２ｎｍ，波长稳定性极高，光谱宽度只有０．７ｎｍ。 该激光器可靠性高，经济实用。采用热电致冷或自来水冷却的方式。结构紧凑的激光头外形尺寸为４４５ｍｍ×１１０ｍｍ×６６ｍｍ，非常适用于便携式测量仪器。 ｗｗｗ．ｌｉｍｏ．ｄｅ 平顶光束生成器 ＳｔｏｃｋｅｒＹａｌｅ公司的平顶光束生成器是一种光束 整形模块，它可以把高斯光束转化为聚焦、准直或发散成平顶能量分布的光束，即使经过较长距离也可以保持光束能量和强度的高度均匀。 ＳｔｏｃｋｅｒＹａｌｅ公司的平顶光束生成器适用于紫 外、可见光以及近红外波段的激光器，易于与 ＳｔｏｃｋｅｒＹａｌｅ公司的Ｌａｓｉｒｉｓ或其它类型的激光器相集 成。 ｗｗｗ．ｓｔｏｃｋｅｒｙａｌｅ．ｃｏｍ ４８５ｎｍ皮秒脉冲二极管激光器 德国ＰｉｃｏＱｕａｎｔ公司对外发布了其４８５ｎｍ波长的皮秒脉冲二极管激光头。该激光头可应用于生物 名企名品 ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ＆Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ６４
半导体激光器的发展与运用 0 引言激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子 阱 （单、多量子阱）等多种形式, 制作方法从扩散法发展到液相外延（LP日、气相外延（VPE）、分子束外延（MBE）、金属有机化合物气相淀积（MOCVD）、化学束外延（CBE 以及它们的各种结合型等多种工艺[5].半导体激光器的应用范围十分广泛，而且由于它的体积小，结构简单,输入能量低,寿命长,易于调制和价格低等优点, 使它已经成为当今光电子科学的核心技术,受到了世界各国的高度 重视。 1 半导体激光器的历史 半导体激光器又称激光二极管（LD）。随着半导体物理的发展,人们早在20 世纪50 年代就设想发明半导体激光器。 20 世纪60 年代初期的半导体激光器是同质结型激光器, 是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。在1962 年7 月召开的固体器件研究国际会议上,美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（KeyeS和奎斯特（Quist、报告了砷化镓材料的光发射现象。 半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器,它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs,GaAIAs所组成的激光器。单异质结注人型激光器（SHLD，它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP 一N 结的P 区之内,以此来降低阀值电流密度的激光
器。 1970 年,人们又发明了激光波长为9 000? 在室温下连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs（砷化稼一稼铝砷）激光器. 在半导体激光器件中,目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs 二极管激光器. 从20 世纪70 年代末开始, 半导体激光器明显向着两个方向发展,一类是以传递信息为目的的信息型激光器;另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下, 高功率半导体激光器（连续输出功率在100W 以上,脉冲输出功率在5W 以上, 均可称之谓高功率半导体激光器）在20 世纪90 年代取得了突破性进展,其标志是半导体激光器的输出功率显著增加,国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化,国内样品器件输出 已达到600W另外，还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中,可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长,可以很方便地对输出 光束进行调制。 20 世纪90 年代末,面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展。 目前,垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络,为了满足21 世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要,半导体激光器的发展趋势主要是向高速宽带LD大功率LD短波长LD盆子线和量子点激光器、中红外LD
本章节我们来说说最基本的测试——开短路测试（Open-Short Test），说说测试的目的和方法。 一．测试目的 Open-Short Test也称为ContinuityTest或Contact Test，用以确认在器件测试时所有的信号引脚都与测试系统相应的通道在电性能上完成了连接，并且没有信号引脚与其他信号引脚、电源或地发生短路。 测试时间的长短直接影响测试成本的高低，而减少平均测试时间的一个最好方法就是尽可能早地发现并剔除坏的芯片。Open-Short测试能快速检测出DUT是否存在电性物理缺陷，如引脚短路、bond wire缺失、引脚的静电损坏、以及制造缺陷等。 另外，在测试开始阶段，Open-Short测试能及时告知测试机一些与测试配件有关的问题，如ProbeCard或器件的Socket没有正确的连接。 二．测试方法 Open-Short测试的条件在器件的规格数或测试计划书里通常不会提及，但是对大多数器件而言，它的测试方法及参数都是标准的，这些标准值会在稍后给出。 基于PMU的Open-Short测试是一种串行（Serial）静态的DC测试。首先将器件包括电源和地的所有管脚拉低至“地”（即我们常说的清0），接着连接PMU到单个的DUT 管脚，并驱动电流顺着偏置方向经过管脚的保护二极管——一个负向的电流会流经连接到地的二极管（图3-1），一个正向的电流会流经连接到电源的二极管（图3-2），电流的大小在100uA到500uA之间就足够了。大家知道，当电流流经二极管时，会在其P-N结上引起大约0.65V的压降，我们接下来去检测连接点的电压就可以知道结果了。 既然程序控制PMU去驱动电流，那么我们必须设置电压钳制，去限制Open管脚引起的电压。Open-Short测试的钳制电压一般设置为3V——当一个Open的管脚被测试到，它的测试结果将会是3V。 串行静态Open-Short测试的优点在于它使用的是DC测试，当一个失效（failure）发生时，其准确的电压测量值会被数据记录（datalog）真实地检测并显示出来，不管它是Open引起还是Short导致。缺点在于，从测试时间上考虑，会要求测试系统对DUT的每个管脚都有相应的独立的DC测试单元。对于拥有PPPMU结构的测试系统来说，这个缺点就不存在了。 当然，Open-Short也可以使用功能测试（Functional Test）来进行，我会在后面相应的章节提及。
锁模紫外激光器主要技术参数：1）波长（nm ）: 355； 2）输出模 式： TEMOO （高斯光）；3）工作模式：锁模，准连续激光（由于脉冲 频率很高，几乎相当于连续的）；4）重复频率（MHz ） : 100±; 5） 平均功率（mW ）: 150； 6）功率稳定性（over 8 hours ）： < ±% rms; 7）脉宽:> 10ps; 8）预热时间（minutes ）:<10; 9）光斑发散角 （mrad ）: <2.0； 10）光斑直径（mm ）: 0.9 15%; 11）工作温度「C ）: 15? 35； 12）偏振：水平偏振。 二、 验收项目 1）波长（nm ）:355; 4）重复频率（MHz ）: 100±; 5）平均功率 （mW ）: 150; 6）功率稳定性（over 8 hours ） :< 1% rms; 7）脉宽：> 10ps; 9）光斑发散角：（mrad ）:<2.0; 10）光斑直径：（mm ）: 0.9 15%; 11） 工作温度「C ）: 15?35; 12）偏振：水平偏振。 关键验收指标：激光器的稳定性、均匀性、持续时间，涉及到的 关键指标有：脉冲宽度、重复频率、平均功率（峰值功率）、光 斑发散角 谷老师谈话整理 仪器基本情况及关键指标 激光器验收
注：以上指标在不同温度下测试 三、验收仪器 波长计（光谱仪）、光电探测器（将光信号转换为电信号）、示波器、功率计、光束分析仪（光斑分析仪） 四、验收方法与操作流程 1)结合光电探测器+示波器：通过示波器可观看到激光的脉冲宽 度、重复频率、功率峰值大小，并观察其稳定性情况，正常情 况下各项指标误差在生％以内； 2)功率计：测试平均功率密度； 注：结合偏振片还可测试偏振方向，改变偏振片取向看功率计 中入射功率的变化。 3)波长计或光谱仪：测试波长纯度，应满足误差不超过±1%； 4)光束分析仪或光斑分析仪：测试光斑直径大小和衍射角 注：当没有上述仪器时，可以简单设计以下测试方案：即，在激光光路上的不同位置记录下光斑直径的大小，测量相应位置距离，即可计算出衍射角大小 5)功率均匀性测试方法：光束先后经过透镜、光阑，光束经过光阑调制后进入功率计，测试不同位置功率大小。 6)BBO晶体正入射的调制方法：光束经透镜聚焦后经过光阑调制进入BBO晶体，如果BBO没有垂直放置的话，经BBO反射的激光将不能反射返回进入光阑中(聚焦透镜应该选择吸收和散射较少的，一般要求石英制作透镜)。
半导体激光器工作原理及主要参数 OFweek激光网讯：半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。 半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外 部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。 目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些 器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。 大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数 十毫安。
大功率半导体激光器的发展介绍 激光打标机、激光切割机、激光焊接机等等激光设备中激光器起着举足轻重的地位，在激光器的发展历程中，半导体激光器的发展尤为重要，材料加工用激光器主要要满足高功率和高光束质量，所以为了提高大功率半导体激光器的输出功率，可以将十几个或几十个单管激光器芯片集成封装、形成激光器巴条，将多个巴条堆叠起来可形成激光器二维叠阵，激光器叠阵的光功率可以达到千瓦级甚至更高。但是随着半导体激光器条数的增加，其光束质量将会下降。
另外，半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束质量不一致：快轴的光束质量接近衍射极限，而慢轴的光束质量却比较差，这使得半导体激光器在工业应用中受到了很大的限制。要实现高质量、宽范围的激光加工，激光器必须同时满足高功率和高光束质
量。因此，现在发达国家均将研究开发新型高功率、高光束质量的大功率半导体激光器作为一个重要研究方向，以满足要求更高激光功率密度的激光材料加工应用的需求。 大功率半导体激光器的关键技术包括半导体激光芯片外延生长技术、半导体激光芯片的封装和光学准直、激光光束整形技术和激光器集成技术。 （1）半导体激光芯片外延生长技术 大功率半导体激光器的发展与其外延芯片结构的研究设计紧密相关。近年来，美、德等国家在此方面投入巨大，并取得了重大进展，处于世界领先地位。首先，应变量子阱结构的采用，提高了大功率半导体激光器的光电性能，降低了器件的阈值电流密度，并扩展了GaAs基材料系的发射波长覆盖范围。其次，采用无铝有源区提高了激光芯片端面光学灾变损伤光功率密度，从而提高了器件的输出功率，并增加了器件的使用寿命。再者，采用宽波导大光腔结构增加了光束近场模式的尺寸，减小了输出光功率密度，从而增加了输出功率，并延长了器件寿命。目前，商品化的半导体激光芯片的电光转换效率已达到60%，实验室中的电光转换效率已超过70%，预计在不久的将来，半导体激光器芯片的电光转换效率能达到85%以上。 （2）半导体激光芯片的封装和光学准直 激光芯片的冷却和封装是制造大功率半导体激光器的重要环节，由于大功率半导体激光器的输出功率高、发光面积小，其工作时产生的热量密度很高，这对芯片的封装结构和工艺提出了更高要求。目前，国际上多采用铜热沉、主动冷却方式、硬钎焊技术来实现大功率半导体激光器阵列的封装，根据封装结构的不同，又可分为微通道热沉封装和传导热沉封装。
半导体激光器工作原理 半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb （锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。
目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 1.波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 2.阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数十毫安。 3.工作电流Iop：激光二极管达到额定输出功率时的驱动电流，此
44瓦超高功率808 nm半导体激光器设计与制作 仇伯仓，胡海，何晋国 深圳清华大学研究院 深圳瑞波光电子有限公司 1. 引言 半导体激光器采用III-V化合物为其有源介质，通常通过电注入，在有源区通过电子与空穴复合将注入的电能量转换为光子能量。与固态或气体激光相比，半导体激光具有十分显著的特点：1）能量转换效率高，比如典型的808 nm高功率激光的最高电光转换效率可以高达65%以上 [1]，与之成为鲜明对照的是，CO2气体激光的能量转换效率仅有10%，而采用传统灯光泵浦的固态激光的能量转换效率更低, 只有1%左右；2）体积小。一个出射功率超过10 W 的半导体激光芯片尺寸大约为0.3 mm3, 而一台固态激光更有可能占据实验室的整整一张工作台；3）可靠性高，平均寿命估计可以长达数十万小时[2]；4）价格低廉。半导体激光也同样遵从集成电路工业中的摩尔定律，即性能指标随时间以指数上升的趋势改善，而价格则随时间以指数形式下降。正是因为半导体激光的上述优点，使其愈来愈广泛地应用到国计民生的各个方面，诸如工业应用、信息技术、激光显示、激光医疗以及科学研究与国防应用。随着激光芯片性能的不断提高与其价格的持续下降，以808 nm 以及9xx nm为代表的高功率激光器件已经成为激光加工系统的最核心的关键部件。高功率激光芯片有若干重要技术指标，包括能量转换效率以及器件运行可靠性等。器件的能量转换效率主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计，而运行可靠性主要与芯片的腔面处理工艺有关。本文首先简要综述高功率激光的设计思想以及腔面处理方法，随后展示深圳清华大学研究院和深圳瑞波光电子有限公司在研发808nm高功率单管激光芯片方面所取得的主要进展。 2.高功率激光结构设计 图1. 半导体激光外延结构示意图
半导体C-V测量基础 作者：Lee Stauffer 时间：2009-07-29 来源:吉时利仪器公司 C-V测量为人们提供了有关器件和材料特征的大量信息 通用测试 电容-电压（C-V）测试广泛用于测量半导体参数，尤其是MOSCAP和MOSFET结构。此外，利用C-V测量还可以对其他类型的半导体器件和工艺进行特征分析，包括双极结型晶体管（BJT）、JFET、III-V族化合物器件、光伏电池、MEMS器件、有机TFT显示器、光电二极管、碳纳米管（CNT）和多种其他半导体器件。 这类测量的基本特征非常适用于各种应用和培训。大学的研究实验室和半导体厂商利用这类测量评测新材料、新工艺、新器件和新电路。C-V测量对于产品和良率增强工程师也是极其重要的，他们负责提高工艺和器件的性能。可靠性工程师利用这类测量评估材料供货，监测工艺参数，分析失效机制。 采用一定的方法、仪器和软件，可以得到多种半导体器件和材料的参数。从评测外延生长的多晶开始，这些信息在整个生产链中都会用到，包括诸如平均掺杂浓度、掺杂分布和载流子寿命等参数。在圆片工艺中，C-V测量可用于分析栅氧厚度、栅氧电荷、游离子（杂质）和界面阱密度。在后续的工艺步骤中也会用到这类测量，例如光刻、刻蚀、清洗、电介质和多晶硅沉积、金属化等。当在圆片上完全制造出器件之后，在可靠性和基本器件测试过程中可以利用C-V测量对阈值电压和其他一些参数进行特征分析，对器件性能进行建模。 半导体电容的物理特性 MOSCAP结构是在半导体制造过程中形成的一种基本器件结构（如图1所示）。尽管这类器件可以用于真实电路中，但是人们通常将其作为一种测试结构集成在制造工艺中。由于这种结构比较简单而且制造过程容易控制，因此它们是评测底层工艺的一种方便的方法。
实验一 半导体激光器P-I 特性测试实验 一、 实验目的 1. 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 2. 了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系 3. 掌握半导体激光器P （平均发送光功率）-I （注入电流）曲线的测试方法 二、 实验仪器 1. ZY12OFCom13BG 型光纤通信原理实验箱 1台 2. 光功率计 1台 3. FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1根 4. 万用表 1台 5. 连接导线 20根 三、 实验原理 半导体激光二极管（LD ）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高 能级E 2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E 1，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。）是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW ）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm ），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz ）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 对于线性度良好的半导体激光器，其输出功率可以表示为 P e ＝)(2th D I I q -ηω （1-1） 其中int int a a a mir mir D +=ηη，这里的量子效率η int ，表征注入电子通过受激辐射转化为光 子的比例。在高于阈值区域，大多数半导体激光器的ηint 接近于1。 1-1式表明，激光输出功率决定于内量子效率和光腔损耗，并随着电流而增大， 当注入电流I>I th 时，输出功率与I 成线性关系。其增大的速率即P-I 曲线的斜率，称为斜率效率 D e q dI dP ηω2 = （1-2） P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流I th 尽可能小， I th 对应P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验四）大，而且不易产生光信号失真。并且要求P-I 曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，半导体激光器可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所
郑州轻工业学院 课程设计任务书 题目半导体激光器原理及应用 专业、班级学号姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 完成期限： 指导教师签名： 课程负责人签名： 年月日
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 郑州轻工业学院 课程设计说明书题目：半导体激光器原理及应用 姓名：王森 院（系）：技术物理系 专业班级：电子科学与技术09-1 学号：540911010132 指导教师：运高谦 成绩： 时间：年月日至年月日 I
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 摘要 本文主要讲的是半导体激光器的发展历史、工作原理及应用。半导体激光器产生激光的机理,即必须建立特定激光能态间的粒子数反转,并有合适的光学谐振腔。由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性,首先产生激光的具体过程有许多特殊之处,其次所产生的激光光束也有独特的优势,使其在社会各方面广泛应用。从同质结到异质结,从信息型到功率型,激光的优越性也愈发明显,光谱范围变宽,相干性增强,可以说是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。 关键词激光技术；半导体激光器；受激辐射；光场 II
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 Abstract This article is mainly about the history of the development of semiconductor lasers, working principle and applications. Semiconductor lasers produce laser mechanism, which must be established between the specific laser energy state population inversion, and a suitable optical resonator. As the physical structure of the semiconductor material in which electron motion specificity and particularity, while the specific process of producing laser has many special features, the other produced by the laser beam has a unique advantage to make it widely used in all sectors of society . From homo-junction to the heterojunction, the power from the information type to type, is also becoming increasingly apparent superiority of the laser, spectral range, coherence enhanced semiconductor lasers opened a new era in the development of laser applications. Keywords: Laser technique；Semiconductor lasers；Stimulated emission；Optical field III