佛山科学技术学院
实验报告
课程名称光电信息与技术实验实验项目半导体泵浦固体激光器综合实验专业班级姓名学号
指导教师成绩日期2016年4月11日
实验报告内容：一.实验目的二.实验仪器（仪器名称、型号、参数、编号）三.实验原理（原理文字叙述和公式、原理图）四.实验步骤五、实验数据和数据处理六.实验结果七.分析讨论（实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等）八.思考题
半导体泵浦激光原理实验 理工学院光信息2班贺扬10329064 合作人：余传祥 【实验目的】 1、了解与掌握半导体泵浦激光原理及调节光路方法。 2、掌握腔内倍频技术，并了解倍频技术的意义。 3、掌握测量阈值、相位匹配等基本参数的方法。 【实验仪器】 808nm半导体激光器、半导体激光器可调电源、晶体、KTP倍频晶体、输出镜（前腔片）、光功率指示仪 【实验原理】 激光的产生主要依赖受激辐射过程。 处于激发态的原子，在外的光子的影响下，从高能态向低能态跃迁，并在两个状态的能量差以辐射光子的形式发出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。 激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 泵浦过程使粒子从基态抽运到激发态，上的粒子通过无辐射跃迁，迅速转移到亚稳态。是一个寿命较长的能级，这样处于的粒子不断累积，上的粒子又由于抽运过程而减少，从而实现与能级间的粒子数反转。 激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，
部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。 激光倍频是将频率为的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为的光。 当外界光场的电场强度足够大时（如激光），物质对光场的响应与场强具有非线性关系： 式中均为与物质有关的系数，且逐次减小。 当E很大时，电场的平方项不能忽略。 ,直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。 倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到： 式中L为晶体长度，、分别为入射的基频光、输出的倍频光光强。 在正常色散情况下，倍频光的折射率总是大于基频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中的o光和e光折射率不同，且e光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而改变，可以利用双折射晶体中o光、e光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，实现相位匹配。 【实验装置】 图2 实验装置示意图
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
实验四连续半导体泵浦固体激光器静态输出特性 和声光调Q实验 实验目的 1.了解固体激光器的输出特性和阈值特性，掌握激光器输出特性斜率效率的计 算； 2.掌握激光器设计中最佳透过率的概念，巩固最佳透过率选取原则； 3.掌握声光调Q的基本原理和布拉格衍射的特征及布拉格衍射角的概念，了解 激光器在连续和调Q脉冲工作状态下的激光功率输出特性， 4.了解不同调Q频率下，激光功率变化的原因，巩固最佳调Q频率选取的原则。 实验原理 1. 固体Nd:YAG激光器工作原理 固体激光器通常由三个基本部分组成，即固体激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。 激光工作物质是激光器的心脏，产生激光的是激活离子，激光器的输出特性在很大程度上由激活离子的能级结构决定。目前，常用的固体激光工作物质有红宝石晶体、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石（即Nd3+:YAG）晶体。由于Nd3+:YAG晶体具有荧光谱线窄、量子效率高等特点，它的增益高、阈值低、激光输出效率高，故在中小功率的脉冲器件中，以及在高重复率的脉冲激光器中得到广泛应用。本实验中即采用Nd3+:YAG作为激光工作物质，该工作物质的激活离子为Nd3+，属四能级系统，发射激光波长为1.06μm，工作于连续方式。Nd3+:YAG产生受激辐射的能级如图4-1所示。激活粒子（Nd3+:离子）在这些能级之间的跃迁特性为：在光泵浦作用下，处于基态能级E1上的粒子被激发到高能级E4上，由于E4能级寿命很短，处在该能级上的粒子很快以无辐射跃迁方式迅速转移到较低的激发态能级E3上，E3为亚稳态，在E3能级上的粒子有较长的寿命（10-3~10-4s），因而易于实现粒子数积累。当粒子数由E3向E2跃迁时，产生激光辐射，粒子到达能级E2后，再以无辐射跃迁迅速地返回到基态E1。基于这种状态以及由于热平衡情况，使得粒子不易在E2能级上积聚，因此，在外界激励下，E3和E2之间较易形成粒子数反转，从而实现受激辐射。
实验指导书 院系：机电工程学院 专业：微电子 课程：半导体物理与器件编者：孙玮
目录 实验一四探针法测量半导体电阻率和方块电阻 (1) 实验二半导体非平衡少子寿命测试 (10)
实验一 四探针法测量半导体电阻率 一、实验目的： 硅单晶的电阻率与半导体器件的性能有着十分密切的关系，半导体电阻率的测量是半导体材料常规参数测量项目之一。测量电阻率的方法很多，如三探针法、电容—电压法、扩展电阻法等。四探针法则是一种广泛采用的标准方法，在半导体工艺中最为常用，其主要优点在于设备简单，操作方便，精确度高，对样品的几何尺寸无严格要求。四探针法除了用来测量半导体材料的电阻率以外，在半导体器件生产中还广泛用来测量扩散层薄层电阻，以判断扩散层质量是否符合设计要求。因此，薄层电阻是工艺中最常需要检测的工艺参数之一。 本实验的目的是掌握四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法，针对不同几何尺寸的样品，掌握其修正方法；了解影响电阻率测量的各种因素和改进措施。 二、实验内容： 1. 对所给的各种样品分别测量其电阻率； 2. 对同一样品，测量五个不同的点，由此求出单晶断面电阻率不均匀度； 三、实验原理与方法： 1．半导体材料电阻率的测量 将四根探针加在待测半导体材料样品表面，由外面两根探针接恒流源，电流为I ，由中间两根探针测电压，从而求出材料的电阻率，它在很大程度上消除了探针的接触势垒及注入效应对测量的影响。 设样品为半无穷大，若样品的电阻率ρ均匀，引入点电流源的探针其电流强度为I ，则所产生的电力线具有球面的对称性，即等位面为一系列以点电流为中心的半球面，如图1.1所示。在以r 为半径的半球面上，电流密度j 的分布是均匀的。 2 2r I j π= (1-1） 若E 为r 处的电场强度，则 图1.1
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 -
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
大学物理实验报告霍尔效应 一、实验名称：霍尔效应原理及其应用二、实验目的：1、了解霍尔效应产生原理；2、测量霍尔元件的、曲线，了解霍尔电压与霍尔元件工作电流、直螺线管的励磁电流间的关系；3、学习用霍尔元件测量磁感应强度的原理和方法，测量长直螺旋管轴向磁感应强度及分布；4、学习用对称交换测量法(异号法)消除负效应产生的系统误差。 三、仪器用具：YX-04 型霍尔效应实验仪(仪器资产编号)四、实验原理：1、霍尔效应现象及物理解释霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直于电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。对于图1 所示。半导体样品，若在x 方向通以电流，在z 方向加磁场，则在y 方向即样品A、A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的电场，电场的指向取决于样品的导电类型。显然，当载流子所受的横向电场力时电荷不断聚积，电场不断加强，直到样品两侧电荷的积累就达到平衡，即样品A、A′间形成了稳定的电势差(霍尔电压)。设为霍尔电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度；样品的宽度为，厚度为，载流子浓度为，则有：(1-1) 因为，，又根据，则(1-2)其中称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出、以及知道和，可按下式计算：(1-3)(1-4)为霍尔元件灵敏度。 根据RH 可进一步确定以下参数。(1)由的符号(霍尔电压的正负)判断样品的导电类型。判别的方法是按图1 所示的和的方向(即测量中的+，+)，若测得的 <0(即A′的电位低于A 的电位)，则样品属N 型，反之为P 型。(2)由求载流子浓度，即。应该指出，这个关系式是假定所有载流子都具有相同的漂移速度得到的。严格一点，考虑载流子的速度统计分布，需引入的修正因子(可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》)。(3)结合电导率的测量，求载流子的迁移率。电导率与载流子浓度以及迁移率之间有如下关系：(1-5)2、霍尔效应中的副效应及其消除方法上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多。产生上述霍尔效应的同时还伴随产生四种副效应，使的测量产生系统误差，如图 2 所示。 (1)厄廷好森效应引起的电势差。由于电子实际上并非以同一速度v 沿y 轴负向运动，速度大的电子回转半径大，能较快地到达接点3 的侧面，从而导致3 侧面较4 侧面集中较多能量高的电子，结果3、4 侧面出现温差，产生温差电动势。 可以证明。的正负与和的方向有关。(2)能斯特效应引起的电势差。焊点1、2 间接触电阻可能不同，通电发热程度不同，故1、2 两点间温度可能不同，于是引起热扩散电流。与霍尔效应类似，该热扩散电流也会在 3、4 点间形成电势差。 若只考虑接触电阻的差异，则的方向仅与磁场的方向有关。(3)里纪-勒杜克效应产生的电势差。上述热扩散电流的载流子由于速度不同，根据厄廷好森效应同样的理由，又会在3、4 点间形成温差电动势。的正负仅与的方向有关，而与的方向无关。(4)不等电势效应引起的电势差。由于制造上的困难及材料的不均匀性，3、4 两点实际上不可能在同一等势面上，只要有电流沿x 方向流过，即使没有磁场，3、4 两点间也会出现电势差。的正负只与电流的方向有关，而与的方向无关。综上所述，在确定的磁场和电流下，实际测出的电压是霍尔
hv 2 1 (a) 2 1 (b) 2 E 1 (c) 图1、光与物质作用的吸收过程 Nd ：YAG 固体激光器实验 一、 实验内容与器件 1、了解半导体激光器的工作原理和光电特性 2、掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法 二、 实验原理概述 1. 激光产生原理 光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。 如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，它将保持不变，如果一个能量为hv 21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E 2。在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔 E 1-E 2时才能被吸收。 激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并放出光子。自发辐射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。 处于激发态的原子， 在外的光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并两个状态间的能量差以辐射光子的形式发射出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完 全相同。激光的产生主要依赖受激辐射过程。激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 hv 21 2 E 1 (a) E 2 E 1 (b) hv 21 hv 21 图2、光与物质作用的受激辐射过程
泵浦过程使粒子从基态E 1抽运到激发态E 3，E 3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E 2。E 2是一个寿命较长的能级，这样处于E 2上的粒子不断积累，E 1上的粒子 又由于抽运过程而减少，从而实现E 2与E 1能级间的粒子数反转。激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。 2 YAG 固体激光器 固体激光器基本都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成。固体激光器工作物质是固体激光器的核心。影响固体激光器工作特性的关键是固体激光工作物质的物理和光谱性质，这主要是指吸收带、荧光谱线、热导率等。实验中,我们采用掺钕钇铝石 榴石(Nd:YAG)作为工作物质,它的激活离子是钕离子（Nd 3+），其吸收谱线如图4所示，在可 见光和红外区域有几个较强的吸收带，我们关注的是808nm 附近的吸收谱线。在本实验中，半导体激光器是用来做固体激光器的泵浦光源。我们采用了输出波长为808nm, InGaAlAs/GaAs 量子阱结构设计、光斑预整形、输出功率大于2W 的多模半导体激光器，工作电流可调，采用半导体制冷片对其进行温度控制。 图4 3:Nd YAG +晶体的吸收光谱（300K ） YAG 中3Nd +与激光产生有关系的能级结构如图5所示。它属于四能级系统。其激光上 能级3E 为33/2F ，激光下能级2E 为43/2I I ，43/2II I ，其荧光谱线波长分别为1.35m μ和1.06m μ，49/2 I 相应于1E 。由于1.06m μ比1.35m μ波长的荧光强约4 倍，在本实验中，我们通过腔镜镀膜，E 1 E 3 E 2 图3、三能级系统示意图
课程实习报告 HUNAN UNIVERSITY 题目：半导体物理与器件 学生姓名：周强强 学生学号：20100820225 专业班级：通信二班 完成日期：2012.12.22
运行结果截图： 2.2 函数(),cos(2/)V x t x t πλω=-也是经典波动方程的解。令03x λ≤≤，请在同一坐标中 绘出x 的函数(),V x t 在不同情况下的图形。 (1)0;(2)0.25;(3)0.5;(4)0.75;(5)t t t t t ωωπωπωπωπ =====。 3.27根据式（3.79），绘制出0.2()0.2F E E eV -≤-≤范围内，不同温度条件下的费米-狄拉克概率函数：()200,()300,()400a T K b T K c T K ===。
4.3 画出a （）硅，b （）锗，c （）砷化镓在温度范围200600K T K ≤≤内的本征载流子浓度曲线 （采用对数坐标）。
4.46 已知锗的掺杂浓度为15 3a =310 cm N -?，d =0N 。画出费米能级相对于本征费米能级的位 置随温度变化 200600)K T K ≤≤（的曲线。
5.20硅中有效状态密度为 19 3/2c 2.8 10()300T N =? 193/2 1..0410() 300 T N ν=? 设迁移率为 3/2 n =1350300T μ-?? ? ?? 3/2 =480300T ρμ-?? ? ?? 设禁带宽带为g =1.12V E e ，且不随温度变化。画出200600K T K ≤≤范围内，本征电导率随绝对温度T 变化的关系曲线。
实验四半导体泵浦固体激光器综合实验半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及倍频的原理和技术。 一、实验目的 １．掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法； ２．了解固体激光器倍频的基本原理； ３．掌握固体激光器被动调Q的工作原理，进行调Q脉冲的测量。（选做） 二、实验原理 １．半导体激光泵浦固体激光器工作原理： 上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL 的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。本实验采用端面泵浦方式。端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。 直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。 直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。 间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有：组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。 光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合。优点是结构灵活。 本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩和耦合如图 2所示。
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
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
半导体泵浦固体激光器综合实验 半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调Q 和倍频的原理和技术。 【实验目的】 1.掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法； 2.掌握固体激光器被动调Q的工作原理，进行调Q脉冲的测量； 3.了解固体激光器倍频的基本原理。 【实验原理与装置】 1.半导体激光泵浦固体激光器工作原理： 上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。本实验采用端面泵浦方式。端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。 ①直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。 ②间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。常见的方法有： 组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。 光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合。优点是结构灵活。 本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩和耦合如图 2所示。
试验一 单晶硅少子寿命测试 一．试验目的 1．了解半导体非平衡少子寿命的概念和重要性。 2．掌握高频光电导衰减法测量寿命的基本原理。 3．学会“DSY-Ⅱ硅单晶寿命仪”的使用。 二．实验原理 1．非平衡载流子的注入 我们知道，处于热平衡状态的半导体，在一定的温度下，载流子浓度使一定的。这种处于平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。 对非简并半导体来说，有2 0exp()g o o c v i E n p N N n k T =- = 如果对半导体施加外界作用（光注入或者电注入），破坏热平衡条件，则半导体处于非平衡状态，其载流子浓度不再是o n 、o p ，而是存在过剩载流子n ?、p ?，称为非平衡载流子。 当外界作用消失后，注入的非平衡载流子不能一直存在下去，最后，载流子浓度恢复导平衡时的值，半导体又回到平衡态，这个过程即是非平衡载流子的复合。但非平衡载流子不是立刻全部消失，而有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时间，有的长，有的短。非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，用τ表示。由于相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的更重要，因而非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命。 假定一束光在n 型半导体内部均匀地产生非平衡载流子n ?、p ?，且n p ?=?。在t ＝0时，突然光照停止，p ?将随时间变化。单位时间内非平衡载流子浓度的减少应为()d p t dt ?，它 是由复合引起的，因此应当等于非平衡载流子的复合率。 即 ()() d p t p t dt τ ??=- 。 小住入时，τ为恒量，与()p t ?无关， ()t p t Ce τ -∴?=。 设t ＝0时，0(0)()p p ?=?，则0()C p =?， 0()()t p t p e τ -∴?=?。 这就是非平衡载流子浓度随渐渐按指数衰减的规律。利用上式可求出非平衡载流子平均生存时间t 就是τ。 ()/()/t t t td p t d p t te dt de dt τ τ τ- - ∞∞ ∞∞= ??= =? ?? ? 所以寿命标志着非平衡载流子浓度减少导原值1/e 所经历的时间。寿命不同，非平衡载流子衰减的快慢不同，寿命越短，衰减越快。 2．高频光电导衰减法
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）。