实验一半导体激光器P-I特性曲线测量 一、实验目的： 1.了解半导体光源和光电探测器的物理基础； 2.了解发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)的发光原理和相关特性； 3.了解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性； 4.掌握有源光电子器件特性参数的测量方法； 二、实验原理： 光纤通信中的有源光电子器件主要涉及光的发送和接收，发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)是最重要的光发送器件，PIN光电二极管和APD光电二极管则是最重要的光接收器件。 1．发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)： LED是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时发射出光子，属自发辐射跃迁。LED为非相干光源，具有较宽的谱宽(30～60nm)和较大的发射角(≈100°)，常用于低速、短距离光波系统。 LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。LD不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄，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(>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。 使粒子数反转从而产生光增益是激光器稳定工作的必要条件，对于处于泵浦条件下的原子系统，当满足粒子数反转条件时将会产生占优势的(超过受激吸收)受激辐射。在半导体激光器中，这个条件是通过向P型和N型限制层重掺杂使费密能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现的。当有源层载流子浓度超过一定值(称为透明值)，就实现了粒子数反转，由此在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大。如果将增益介质放入光学谐振腔中提供反馈，就可以得到稳定的激光输出。 (1) LED和LD的P-I特性与发光效率： 图1是LED和LD的P-I特性曲线。LED是自发辐射光，所以P-I曲线的线性范围较大。 LD有一阈值电流I th ，当I>I th 时才发出激光。在I th 以上，光功率P随I线性增加。 图1：LD和LED的P-I特性曲线 (a) LD的P-I特性曲线 (b) LED的P-I特性曲线
光纤激光器原理 光纤激光器主要由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵浦源由一个或多个大功率激光二极管阵列构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 光纤激光器特点 光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值， 光纤激光器原理图1: 峰值功率：脉冲激光器，顾名思义，它输出的激光是一个一个脉
冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如说10 ns(纳秒)，一般称作单个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用t 表示。这种激光器可以发出一连串脉冲，比如，1 秒钟发出10 个脉冲，或者有的就发出一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复(频)率前者为10，后者为1，那么，1 秒钟发出10 个脉冲，它的脉冲重复周期为0.1 秒，而1 秒钟发出1 个脉冲，那么，它的脉冲重复周期为1 秒，我们用T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为E，那么E/T 称作脉冲激光器的平均功率，这是在一个周期内的平均值。例如， E = 50 mJ(毫焦)，T = 0.1 秒，那么，平均功率P平均= 50 mJ/0.1 s = 500 mW。 如果用 E 除以t，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰值功率(peak power)，例如，在前面的例子中E = 50 mJ, t = 10 ns, P峰值= 50 ×10^(-3)/[10×10^(-9)] = 5×10^6 W = 5 MW(兆瓦)，由于脉冲宽度t 很小，它的峰值功率很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间T=1s/2k=？秒 平均功率P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P峰值功率=E/t 激光的分类： 激光按波段分，可分为可见光、红外、紫外、X光、多波长可调谐，目前工业用红外及紫外激光。例如CO2激光器10.64um红外
光的偏振 实验仪器： 光具座、半导体激光器、偏振片、1/4波片、激光功率计。 实验原理： 自然光经过偏振器后会变成线偏振光。偏振片既可作为起偏器使用，亦可作为检偏器使用。 马吕斯定律：马吕斯指出：强度为I0的线偏振光，透过检偏片后，透射光的强度（不考虑吸收）为I=I0cos2。(是入射线偏振光的光振动方向和偏振片偏振化方向之间的夹角。) 当光法向入射透过1/4波片时，寻常光（o光）和非常光（e光）之间的位相差等于π/2或其奇数倍。当线偏振光垂直入射1/4波片,并且光的偏振和云母的光轴面成θ角，出射后成椭圆偏振光。特别当θ=45°时，出射光为圆偏振光。 实验1、2光路图： 实验5光路图： 实验步骤： 1.半导体激光器的偏振特性： 转动起偏器，观察其后的接受白屏，记录器功率最大值和最小值，以及对应的角度，求出半导体激光的偏振度。 2。光的偏振特性——验证马吕斯定律： 利用现有仪器，记录角度变化与对应功率值，做出角度与功率关系曲线，并与理论值进行比较。 5.波片的性质及利用： 将1/4波片至于已消光的起偏器与检偏器间，转动1/4波片观察已消光位置，确定1/4波片光轴方向，改变1/4波片的光轴方向与起偏器的偏振方向的夹角，对应每个夹角检偏器转动一周，观察输出光的光强变化并加以解释。
实验数据： 实验一： 实验二： 实验五： 数据处理： 实验一： 计算得半导体激光的偏振度约为 故半导体激光器产生的激光接近于全偏振光。实验二： 绘得实际与理论功率值如下：
进行重叠发现二者的图线几乎完全重合，马吕斯定律得到验证。实验五：见“实验数据”中的表格
总结与讨论： 本次实验所用仪器精度较高，所得数据误差也较小。 当光法向入射透过1/4波片时，寻常光（o光）和非常光（e光）之间的位相差等于π/2或其奇数倍。当线偏振光垂直入射1/4波片,并且光的偏振和云母的光轴面成θ角，出射后成椭圆偏振光。特别当θ=45°时，出射光为圆偏振光，这就是实验五中透过1/4波片的线 偏光成为不同偏振光的原因。XX大学生实习报告总结 3000字 社会实践只是一种磨练的过程。对于结果，我们应该有这样的胸襟：不以成败论英雄，不一定非要用成功来作为自己的目标和要求。人生需要设计，但是这种设计不是凭空出来的，是需要成本的，失败就是一种成本，有了成本的投入，就预示着的人生的收获即将开始。 小草用绿色证明自己，鸟儿用歌声证明自己，我们要用行动证明自己。打一份工，为以后的成功奠基吧! 在现今社会，招聘会上的大字板都总写着“有经验者优先”,可是还在校园里面的我们这班学子社会经验又会拥有多少呢?为了拓展自身的知识面，扩大与社会的接触面，增加个人在社会竞争中的经验，锻炼和提高自己的能力，以便在以后毕业后能真正的走向社会，并且能够在生活和工作中很好地处理各方面的问题记得老师曾说过学校是一个小社会，但我总觉得校园里总少不了那份纯真，那份真诚，尽管是大学高校，学生还终归保持着学生身份。而走进企业，接触各种各样的客户、同事、上司等等，关系复杂，但你得去面对你从没面对过的一切。记得在我校举行的招聘会上所反映出来的其中一个问题是，学生的实际操作能力与在校的理
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………………………………………
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
外腔用半导体激光器基本原理及应用 1. 外腔用半导体激光器的概念 早期普通FP腔结构的半导体激光管腔长一般在800μm—1500μm, 后反射面的反射率接近全反射,出射端面的反射率一般在百分之几十以内。由于谐振腔的精细度不够高,而自由光谱范围又很宽,造成普通FP腔半导体激光器的线宽比较宽,甚至会出现多模运转,所以通常不能直接用在原子分子精密光谱，光频标，冷原子操控，原子干涉仪等研究领域。后续出现了DFB/DBR等激光器，因为内置光栅的原因，线宽得到了一定的压窄，可以达到2MHz甚至更小，基本可以应用到上述领域中。但随着对研究精度的提高，MHz级别的线宽已经不能满足更高要求的实验需求了，于是通过在激光管外再增加一些光反馈元件,使得激光管的后反射面和光反馈元件之间形成一个外腔,这样的激光器称为外腔半导体激光器(ECDL)。由于外腔对激光器的模式选择作用,可以大幅度压窄半导体激光器的线宽到KHz级别,同时通过外腔光学元件的调谐作用,使得激光波长可以精确调谐。由于外腔半导体激光器具有易于调谐、谱线宽度窄、维护简单等特点,成为精密光谱研究中一个重要的工具。当然外腔用半导体激光器也有结构稳定性和紧凑度不如DFB激光器的情况，但更窄的线宽以及更高的功率依然是它的最大优势所在。 两种典型的外腔半导体激光管结构（Littrow结构和Littman结构）
2. 外腔用半导体激光管的线宽压窄原理 设入射光的波长为λ0 ，为了使1级光形成外腔反射，必须满足以下方程组： 从激光管出来的光谱范围较大，波长成分较多，但只有满足第一个方程的波长成分才会发生一级闪耀反射回去，同时腔长必须满足第二个方程，反射回去的光才能形成谐振放大。零级出射光里的波长成分主要是一级反射光的波长，其它波长成分因为没有放大过程会大幅衰减，表现出来的光谱特性就是极窄的线宽。 3. 主要应用 外腔用半导体激光器因为它极窄的线宽和较高的光功率，在冷原子，原子分子精密光谱研究领域具有广泛的用途，目前主要应用在原子冷却，光频标，原子干涉仪，激光陀螺，高精度原子钟和光钟。 ?????==0002sin 2λλθq L d
半导体激光器TEC温控实验 温度对半导体激光器的特性有很大的影响.为了使半导体激光器输出功率稳定,必须对其温度进行高精度的控制.TEC-10A利用PID模糊控制网络设计了温控系统,控制精度达到0.0625℃,与无PID控制网络相比,极大的提高了系统的瞬态特性,并且试验发现TEC-10A采用带有温控系统的半导体激光器的输出功率稳定性比没有温控系统的输出功率得到显著改善。 TEC-10A使用上位机软件，获得数据如下: 图1 目标温度设定为60度的加热曲线图 TEC-10A模糊自适应PID 算法比传统PID 算法具有更小的温度过冲和更高的控温精度，精度为±0.0625℃，达到稳定的时间小于70s。 TEC-10A的“模糊控制理论”是由美国加利福尼亚大学教授L.A.Zadeh 于1965 年首先提出的，至今只有40 余年的时间，它属于智能控制的范畴。那么到底什么是模糊控制？其实模糊控制是一种被精确定义的特殊的非线性控制，它利用类似人类的启发式知识对系统进行控制。模糊控制的基本原理框图如下图所示。 图2 模糊算法 首先建立模糊规则 根据上面的输入量的模糊化，确定了误差及误差变化的模糊集合，下面将建立模糊规则。模糊控制规则主要有两种形式：一种是经验归纳法，一种是采用数学的推理合成法。经验归纳法是根据操作者对控制经验的整理、加工而形成的控制规则，虽然具有主观臆断，但其中
必须经过对客观事实的合理归纳而形成。下面的表就是根据经验归纳法总结的模糊控制规则表。 下面是一些简单的一维和二维控制形式： “如果A，那么B”（IfAThen B）；例如，如果激光器的温度很高，那么快速降温。“如果A，那么B，否则C”（If A Then B Else C）；例如，如果激光器温度很低，那么快速加热，否则缓慢加热。 “如果A 且B，那么C”（If A And B Then C）。例，如果激光器温度很高且温度下降很慢，那么快速加热。 在实际操作中第三种形式较常见，“A”为偏差e，“B”为偏差变化量Ec。 TEC-10A的尺寸也是比较小的，如下图所示： 图3 TEC-10A具有较小尺寸 TEC-10A是一款高功率密度的TEC温度控制器，额定工作负载5A，峰值电流可达10A。此温度控制器可以连接专用调试器来进行参数的调节，参数调节完毕并保存后，撤去调试器，此温度控制器仍可以独立工作。可以通过专用RS232调试线和电脑进行通讯，以进行参数设
光纤激光器的工作原理及其发展前景 1 引言 光纤激光器于1963年发明，到20世纪80年代末第一批商用光纤激光器面市，经历了20多年的发展历程。光纤激光器被人们视为一种超高速光通信用放大器。光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势。光纤激光器有很多独特优点，比如：激光阈值低、高增益、良好的散热、可调谐参数多、宽的吸收和辐射以及与其他光纤设备兼容、体积小等。近年来光纤激光器的输出功率得到迅速提高。已达到10—100 kW。作为工业用激光器,现已成为输出功率最高的激光器。光纤激光器的技术研究受到世界各国的普遍重视，已成为国际学术界的热门前沿研究课题。其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。本文简要介绍了光纤激光器的结构、工作原理、分类、特点及其研究进展，最后对光纤激光器的发展前景进行了展望。 2 光纤激光器的结构及工作原理 2.1光纤激光器的结构 和传统的固体、气体激光器一样。光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD)，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后．最终形成稳定激光输出。图1为典型的光纤激光器的基本构型。 增益介质为掺稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个仔细选择的反射镜之间．从而构成F—P谐振器。泵浦光束从第1个反射镜入射到稀土掺杂光纤中．激射输出光从第2个反射镜输出来。 2.2 光纤激光器的工作原理 掺稀土元素的光纤放大器促进了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时．就会被稀土离子所吸收。这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转，反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有2种：自发辐射和受激辐射。其中，受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可
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。
半导体激光器实验报告 课程：_____光电子实验_____ 学号： 姓名： 专业：信息工程 南京大学工程管理学院
半导体激光器 一．实验目的 （1）通过实验熟悉半导体激光器的光学特性 （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技术方面的应用 二．实验原理 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，电流使结区附近的有源区产生粒子数反转。 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，器件不会立刻出现激光震荡，小电流时发射光大都来自自发辐射，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，会出现从非受激发射 到受激发射的突变。这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的 缘故，激光的阈值对应于：由受激发射所增加的激光模光子数（每秒） 正好等于平面散射，吸收激光器的发射所损耗的光子数（每秒）。 3.横模和偏振态 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和横向电场分布，这些 模就构成了激光器中的横模。横模经端面射出后形成辐射场，辐射场的 角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。 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 的宽度大于垂直于结面方向的厚度，所以侧横场小于正横场的发散角。 激光器的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
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
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
实验一-半导体激光器系列实验
实验一半导体激光器系列 实验
一、实验设备介绍 2．配套仪器的使用 WGD-6光学多道分析器的使用参考WGD-6光学多道分析器的使用说明书。 3．激光器概述 光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础，引起世界各国的极大关注。其中半导体激光器的生产和应用发展特别迅猛，它已经成功地用于光通讯和光学唱片系统；还可以作为红外高分辨率光谱仪光源，用于大气测污和同位素分离等；同时半导体激光器可以成为雷达，测距，全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。半导体激光器，调频器，放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通 - 1 -
讯，光计算机的发展。 激光器一般包括三个部分： （1）激光工作介质 激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。 （2）激励源 为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。 （3）谐振腔 有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块大部分反射、 - 2 -
Rdie aarlh doped siide-rrirMte core single-mode signal Multi-mode pumplighrt 光纤激光器原理： 光纤激光器主要由泵浦源，耦合器， 掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。 泵浦源由一 个或多个大功率激光二极管阵列构成， 其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介 质的掺稀土元素光纤， 泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收， 形成粒子数反转，受激发射 的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 光纤激光器特点 光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好， 无需 庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值，光束质量好和窄线宽等优点。并且，光纤激光 器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、 免维护、高稳定性的优点； 超长的工作寿命和免维 护时间，平均免维护时间在 10万小时以上。 光纤激光器原理图1: 峰值功率：脉冲激光器，顾名思义，它输岀的激光是一个一个脉冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如 说10 ns （纳秒），一般称作单个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用 t 表示。这种激光器可以发出一 连串脉冲，比如，1秒钟发出10个脉冲，或者有的就发出 一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复 （频）率 前 者为10,后者为1，那么，1秒钟发出10个脉冲，它的脉冲重复周期为 0.1秒，而1秒钟发出1个 脉冲，那么，它的脉冲重复周期为 1秒，我们用T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为 E ，那么E/T 称作脉冲激光器的平均功率，这是在一个周期内的平均值。例如，E =50 mJ （毫焦），T = 0.1 秒，那么， 平均功率 P 平均=50 mJ/0.1 s = 500 mW 。 如果用E 除以t ，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰值功率 （peak power ），例如，在前面的 例子中 E = 50 mJ, t = 10 ns, P 峰值=50 X 10A （-3）/[10 X10A （-9）] = 5 X 10A 6 W = 5 MW （兆瓦），由于脉冲宽度 t 很小，它的峰值功率 很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间 T=1s/2k= ?秒 平均功率 P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P 峰值功率 =E/t
光纤光学与半导体激光器的电光特性实验 上个世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术取得了突破性的进展。光纤通信具有容量大、频带宽、光纤损耗低、传输距离远、不受电磁场干扰等优点，因此光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。半导体激光器是近年来发展最为迅速的一种激光器。由于它的体积小、重量轻、效率高、成本低，已进入了人类社会活动的多个领域。 【实验目的】 1．了解半导体激光器的电光特性和测量阈值电流。 2．了解光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。 3．掌握光纤数值孔径概念、物理意义及其测量方法。 4．对光纤本身的光学特性进行初步的研究。 【实验仪器】 GX-1000光纤实验仪，导轨，半导体激光器+二维调整，Array三维光纤调整架+光纤夹，光纤，光探头+二维调整架，激光功 率指示计，一维位移架+十二档光探头（选购），专用光纤钳、 光纤刀，示波器，音源等。如右图所示。 1．设备参数： （1）半导体激光器类型：氮化镓，工作电流：0-70mA，激 光功率：0-10mW，输出波长：650nm； （2）总输出电压为3.5-4V，考虑保护电路分压，所以管芯 电压降为2.2V。 （3）光纤损耗率：每千米70%，实验所用光纤长度：200m，计算损耗为93.1%，如激光输出功率为10mW，除去损耗后激光输出的总功率：9.31mW，（计算耦合效率时用到）。 （4）信号源频率可用范围:10KH Z-300KH Z。 2．主机功能 实验主机面板如下图 主机主要由3部分组成：电源模块、发射模块、接收模块。 (1)电源模块主要是为半导体激光器和主机其它模块提供电源。由3部分组成：
①表头：三位半数字表头，用于显示半导体激光器的平均工作电流。该电流可通过表头下的 电位器进行调整。 ②电源开关：220VAC电源开关。 ③电流调节旋钮：半导体激光器的工作电流调整钮。 (2)发射模块主要功能为半导体激光器工作状态和频率参数的控制。内含一频率可调的矩形波发 生器、一个频率固定的矩形波发生器和模拟信号调制电路。 ①功能状态选择钮：用于选择半导体激光器的工作状态。直流档：半导体激光器工作在直流 状态。脉冲频率档：半导体激光器工作在周期脉冲状态下。输出的激光是一系列的光脉冲，且频率可 调。调制档：激光器工作在周期脉冲状态下，但频率固定，脉冲宽度受外部输入的音频信号调制。 ②脉冲频率旋钮：用于调节脉冲信号的频率。 ③输出插座：三芯航空插座。连接半导体激光器。 ④输出波形插座：Q9插座。接示波器，用于观察驱动激光器的波形。 ⑤音频输入插座：3.5mm耳机插座。连接音频信号源——单放机。 ⑥音频输入波形插座：Q9插座。接示波器，可用于观察音频信号波形。 (3)接收模块主要功能为光信号的接受、放大、解调和还原。内含光电二极管偏置驱动、高频放 大、解调、音频功放电路和扬声器等。 ①输入插座：Q9插座。连接光电二极管。用于探测光脉冲信号。 ②波形插座：两个Q9插座。可分别接示波器，观察波形。前一个为解调前的脉冲信号波形， 后一个为解调后的模拟音频信号波形。 ③扬声器开光：用于控制内置扬声器的开和关。在主机后面板上。 ： 3. OPT-1A型激光功率指示计是一种数字显示的光功率测量仪器，采用硅光电池作为光传感器，针对650nm波长的激光进行了标定，用于测量该波段的激光功率。如图： (1)前面板 ①表头 ：3位半数字表头，用于显示光强的大小。 ②量程选择钮：分为200uW、2mW、20mW、200mW四个标定量程和可调档；测量时尽量采用合适 的量程，如测得的光强为1.732mW，则采用2mW量程。可调档显示的是光强的相对值。 ③调零：调零时应遮断光源，旋动调零旋钮，使显示为零，调零完毕。 (2)后面板 ①电源开关按钮：电源开关（220VAC）。
光纤激光器原理与特性详解 一、简介 光纤激光器，英文名称为Fiber Laser，是一种以掺稀土元素的玻璃光纤为增益介质来产生激光输出的装置。光纤激光器可在光纤放大器的基础上进行开发，由于光纤激光器中光纤纤芯很细，因此在泵浦光作用下，光纤内部功率密度高，使得激光能级出现“粒子数反转”现象，在此基础上，再通过正反馈回路构成谐振腔，便可在输出处形成激光振荡。
二、结构 光纤激光器的结构类似于传统的固体激光器、气体激光器，主要由泵浦源、增益介质、谐振腔三大部分构成，如下图所示。其中，泵浦源一般为高功率的半导体激光器，增益介质为掺稀土元素的玻璃光纤，谐振腔由耦合器或光纤光栅等构成。 三、原理 在上图中，由泵浦源发出的泵浦光通过一面反射镜耦合进入增益介质中，由于增益介质为掺稀土元素光纤，因此泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁并实现粒子数反转，反转后的粒子经
过谐振腔，由激发态跃迁回基态，释放能量，并形成稳定的激光输出。 四、特点 特点一：由于光纤纤芯直径小，在纤芯内容易形成高功率密度，因此光纤激光器具有较高的转换效率、较低的阙值、较高的增益、较窄的线宽、且可方便高效的实现与当前光纤通信系统的连接。 特点二：由于光纤具有很好的柔绕性，因此光纤激光器具有小巧灵活、结构紧凑、性价比较高、且更易于系统的集成的特点。 特点三：与传统的固体激光器、气体激光器相比，光纤激光器的能量转换效率较高、结构较紧凑、可靠性高、且适合大批量的生产。 特点四：与半导体激光器相比，光纤激光器的单色性较好、调制时可产生较小的啁啾和畸变、且与光纤的耦合损耗较小。
和半导体激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性，易于实现和光纤的耦合。 我们可以从不同的角度对光纤激光器进行分类，如根据光纤激光器的谐振腔采用的结构可以将其分为Fabry-Perot腔和环行腔两大类。也可根据输出波长数目将其分为单波长和多波长等。 对于不同类型光纤激光器的特性主要应考虑以下几点： (1)阈值应越低越好; (2)输出功率与抽运光功率的线性要好; (3)输出偏振态; (4)模式结构; (5)能量转换效率;
收稿日期：2011-03-07；修订日期：2011-04-19 基金项目：国家自然科学基金(10874012，10974177)；国际科技合作计划(2010DFA04690) 作者简介：黄凯凯(1971-)，男，讲师，博士，主要从事激光与物质相互作用方面的研究。Email:huangkaikai@https://www.doczj.com/doc/d015663684.html, 894nm 外腔半导体激光器 黄凯凯，李 楠，陆璇辉 (浙江大学物理系光学研究所，浙江杭州310027) 摘 要：介绍了一种基于Littrow 结构的894nm 外腔半导体激光器的设计原理，给出了光栅转轴的 优化点计算，分析了无跳模范围和实际转轴位置的关系，指出了实际光栅转轴点的合理位置。针对铯原子激光抽运磁力仪的应用要求，通过外腔的选频功能，以及低噪声激光电流源、低温漂温控器和低噪声压电陶瓷驱动器，实现了自由运转波长为904nm 的激光管调谐到894nm 的单模运转，连续无跳模范围在3GHz 以上。共焦FP 腔的观测表明，外腔半导体激光器对自由运转激光管的线宽进行了有效压窄。搭建了饱和吸收谱装置，成功观测到了Cs 原子D 1线的F =3->F ′=3,4和F =4->F ′=3,4两套饱和吸收谱线。 关键词：外腔半导体激光器；铯D 1线；饱和吸收谱中图分类号：TN248.4 文献标志码：A 文章编号：1007-2276(2011)11-2129-05 894nm external cavity diode laser Huang Kaikai,Li Nan,Lu Xuanhui (Institute of Optics,Physics Department,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China) Abstract:The design principle of 894nm external cavity laser diode with Littrow configuration was introduced.The calculation on optimized grating mount pivot point position was given.Analysis of the mode -hop -free range versus practical pivot point position as well as the reasonable pivot point position were pointed.By frequency selection of external cavity and application of low noise current driver,low temperature drift controller and low noise piezo driver,single mode operation of the laser at 894nm was realized on a laser diode with a free running wavelength of 904nm,which was to be applied in laser pumped Cesium magnetometer.The mode -hop -free range was above 3GHz.It could be seen from the confocal FP cavity that the laser linewidth was effectively narrowed in the external cavity.In order to obtain Cs D 1spectrum,a saturation absorption spectroscopy layout was built and the hyperfine lines spectrum of F =3->F ′=3,4and F =4->F ′=3,4transition were successfully obtained.Key words:external cavity diode laser; cesium D 1lines; saturation absorption spectroscopy 第40卷第11期 红外与激光工程 2011年11月Vol.40No.11 Infrared and Laser Engineering Nov.2011