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半导体激光器的工作原理及应用摘要：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，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面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，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。
关键词：受激辐射；光场；同质结；异质结；大功率半导体激光器The working principle of semiconductor lasers and applications ABSTRACT: The machanism of lasing by semiconductor laser,which requires set up specially designated reverse of beam of particles among energy stages,and appropriate optical syntonic coelenteronAs the specificity of structure from semiconductor and moving electrons.something interesting happens.On the one hand,the specific process in producing lase,on the other hand,the beam of light has unique advantages。
As the reasons above,we can easily found it all quartersof the society.From homojunction to heterojunction,from informatics to power,the advantages of laser are in evidence,the wide spectrum,the semiconductor open the epoch in the process of laser. Key worlds: stimulated radiation; optical field; homojunction; heterojunction; high-power semiconductor laser 0 前言半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。
激光的线宽和调谐特性
在许多激光光谱实验中，对激光的线宽和调谐特性都有一定的要求，例如做超高分辨无多普勒增宽(Doppler-free)的光谱实验，激光线宽必须小于跃迁谱线饱和拉姆凹陷(Lamb dip)的宽度，同时要求有非常高的激光频率稳定度和功率稳定度，才有可能做出信噪比很高的测量结果。
实现激光单频的方案要根据激光介质跃迁谱线的分布和重叠情况来决定。
如果相邻跃迁谱线分离得很远，可以采用对特定波长反射的多层介质膜反射镜作为激光的谐振腔镜，选出所需要的激光振荡频率并加以输出，而对不需要的跃迁谱线，则由于透射损耗的增大而不能起振。
这种方法大多是在原子激光器中采用，例如，He一Ne激光器就是采用不同的介质膜输出镜来实现632.8nm或3.39 5m波长的激光输出。
如果激光介质跃迁谱线靠得很近，如C仪和Co 等气体分子激光，或者激光介质的跃迁谱线占有很宽的波长范围，如染料激光器和钦宝石激光器(Ti3+:sapphire laser，掺钦蓝宝石激光器)等.在这些激光器中，可以采用宽波段的反射愉出镜，加上腔内的选频元件，如棱镜、光栅或双折射滤光片等来选择激光输出频率，实现单频振荡。
这里所谓的“单频”
是指激光输出线宽相对较窄(或者说激光振荡在单根跃迁谱线上)，但还不一定是单模激光输出。
要实现激光的单模振荡，还要在腔内加上不同自由光谱区的标准具，使激光器工作在单纵模状态上。
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第32卷 第2期南开大学学报(自然科学)V ol.32 №21999年6月A cta Scientiar um N atur alium U niv er sitatis N ank aiensisJun.1999窄线宽可调谐半导体激光器*a 吕福云 刘玉洁 袁树忠 魏振兴 李 加 张光寅(南开大学物理科学学院,天津,300071)(教育部光学信息技术科学开放研究实验室,天津,300071)摘 要 研究了一种利用光栅弱耦合外腔改善可见光半导体激光器性能的方法,并对650nm 半导体激光器进行了实验,外腔镜由一个闪耀光栅构成,通过转动光栅角度,获得了窄线宽单模激光输出,谱线宽度0.1pm,线宽压窄比达9800,边模抑制比>20,并且在约20nm 的荧光谱宽基础上得到约5nm 波长的连续调谐范围. 关键词:弱耦合;可调谐半导体激光器;窄线宽0 引 言目前普遍采用内腔和外腔两类调谐技术.而外腔调谐是较为广泛采用的一种方法,它在现有普通半导体激光器的基础上,通过外腔选模压窄线宽,得到较好的输出特性,且具有灵活可行和调谐效果好的特点.以前国内外外腔调谐的研究大多集中在光纤通信窗口,即研究1350～1560nm 附近的波长调谐技术,且获得了较理想的结果[1,2].本文把外腔调谐技术推广到研究可见光波段的半导体激光器,实验中采用了650nm 的半导体激光器,它在原子吸收监测系统及喇曼谱仪等技术中具有很强的应用背景.图1 半导体激光器外腔调谐示意图Fig 1Scheme of the external -cavity semiconductor laser 常见外腔调谐技术包括两种方式,即强耦合和弱耦合方式.前者指通过对半导体激光器出光端面镀增透(AR)膜等手段,使得外腔镜的反射率大于出光端面的反射率,从而使外腔反馈占主要地位;后者则不对激光器出光端面镀增透膜,使内腔反馈仍占较为主要的地位.两种情况都能有效地压窄激光线宽,而强耦合情形的调谐范围更大,弱耦合情形则更为灵活方便.1 实验装置和调谐原理外腔调谐的装置结构如图1所示.半导体激光器的输出光经透镜组准直后获得水平的平行光,入射到光栅外腔上,经光栅分光,将一级衍射反馈回激光器有源区,与有源区内光场相互作用,造成各纵模间的增益差,增益较大,满足激光激发条件的纵模起振激发,而增益较小的模式就被损耗掉.通过改变光栅外腔反馈光的波长,就可获得不同波长的激光输出,从而实现波长调谐.此外,由于半导体激光器的谱线宽度满足[3]a 收稿日期:1998-10-05*攀登计划B 项目$M c =12P S c =12P (l /ac )其中,l 是激光器腔长.从上式可见,腔长是影响激光线宽的关键因素之一.加外腔相当于较大幅度地增加外腔长度,所以能有效地压窄线宽.而且,外腔反馈加强了受激辐射,抑制自发辐射,这也是压窄激光线宽的一个原因.光栅的零级衍射作为外腔激光输出.可用功率计测量输出激光强度,用光谱仪测量其光谱特性和波长,激光线宽由扫描干涉仪进行测量.实验中,光源选用650nm 的半导体激光器,谱线宽度约为0.98nm,输出功率约为5mW ,荧光谱宽约为20nm.未镀增透膜,因而构成弱耦合外腔系统.外腔镜选用一个闪耀光栅,提供外腔光反馈,通过转动光栅角度还能实现波长选择.2 实验结果实验中用Spectr al-Physics 公司的470-03型共焦扫描干涉仪测量外腔激光的输出线宽.该扫描干涉仪的自由光谱区(FSR)宽度为2GHz,仪器带宽10MHz.图2是外腔长度为16.4cm 时的测量结果.这时扫描干涉仪所加的锯齿波电压为10V,可对输出激光扫描两个级次,对应于图2(a)中的两个峰.两峰之间的距离$T 对应扫描干涉仪的自由光谱区,即2GHz.如图2(b)所示,将其中一个峰进行展宽,可以看出,此时的激光光谱很纯,处于明显的单模运转状态.从该图可较为准确地测量出半强宽$T ′,与$T 进行比较,可计算出激光线宽.(a)一个扫描周期内两个纵模 (b)改变扫描电压后为一个纵模tw o longitudinal modes in o ne period one mode w hile chang ing the scanning v oltag e图2 线宽测量结果Fig 2 Measurement result of the linewidth$M =$T ′$TFSR 这样计算出的输出激光线宽为$M =71MHz,对应的光谱宽度为$K =K M$M 约为0.1pm,而未加外腔时的光谱宽度$K 0≈0.98nm ,所以已经有效地压窄了激光线宽,线宽压窄比为D =$K 0$K≈9800光谱仪的测量结果表明输出激光具有良好的光谱特性.实验采用了Anritsu 公司的M S9001B/B1型光谱分析仪.图3(b)给出在中心波长附近的光谱测量结果,图3(a)为未加外腔时该半导体激光器的输出光谱.没加外腔时,光谱特性很差,表现为多模振荡,而每个模式的功率都不大,存在严重的模式竞争,导致波长不稳定,谱线宽度很大.与之相比,加上外腔后,处于单模运转状态,波长稳定,边模抑制比也很理想,・80・ 南开大学学报(自然科学版)第32卷光谱特性大为改善,且单个模式的功率增大,说明大部分能量已集中分配到一个纵模上.转动光栅角度,可得到不同波长的激光输出.用光谱仪测得波长连续可调谐范围约为5.28nm ,中心波长在659nm 附近.在该范围内均可得到光谱特性良好的激光输出.(a)L D 发射光谱特性 (b)外腔激光器的光谱特性spectrum o f LD spectr um of ex ter nal-cavit y laser图3 中心波长附近的光谱特性Fig 3 Spectrum of external -cavity laser near the center wavelength参考文献 1 K o hr oh K o bay ashi ,I kuo M ito .Sing le frequency and tunable la ser diode .J Lightw av e T echnol ,1988,6(11):1623 2 李天培.光纤通信用波长调谐和单频激光管.光通信研究,1990,53(1):1 3 陈徐宗,姚继良,李义民等.用于高分辨率光谱研究的窄线宽半导体激光器及其特性研究.光学学报,1996,16(10):1383NARROW-LINE W AVELENGT H T U NABLESEM ICONDU CT OR L ASERL Fuyun,Liu Yujie,Yuan Shuzhong,Wei Zhenx ing ,Li Jia,Zhang Guang yin(D ep ar tment of Phy sics ,N ankai U niv er sity ,T ianj in ,300071)(Op tical I nf ormation S cience L aboratory ,SE C ,T ianj in ,300071)ABSTRACTA method using a w eak -feedback g rating ex ter nal cavity for improv e the output characteristics of visible lig ht semico nductor laser is studied and pr oved to be practical.T his ex periment is conducted on 650nm semico ndutor laser.A blazed grating is used as the external cavity mirr or to narr ow the linew idth and select frequency .T hro ug h turning the g rating ,laser o utput w ith single longitudinal mode and linew idth as nar row as 0.1pm is obtained.The linew idth r eductio n ratio is 9800.The tuning r ange is 5nm out of 20nm fluo rescent spectrum appr oxim ately ,and the side mo de suppression ratio is ideal .Key words :wea k -feedback coupling ;tunable semico nductor la ser s ;nar ro w linew idth ・81・ 第2期吕福云等:窄线宽可调谐半导体激光器。
第32卷第6期2006年11月光学技术OPT ICAL T ECHN IQ UEVol.32No.6N ov.2006文章编号:1002-1582(2006)06-0869-02闪耀光栅外腔反馈压窄半导体激光器线宽技术的研究X江鹏飞,周燕,谢福增(中国科学院半导体研究所,北京100083)摘要:在讨论半导体激光线宽压窄理论的基础上,利用闪耀光栅作为外部反馈元件,介绍了由中心波长为949. 6nm、原始线宽为112T Hz的单管半导体激光器构成的反馈外腔,它能够很好的改善半导体激光器的性能。
实验得到了中心波长稳定的、单纵模的高质量激光输出,边模抑制比大于30dB,线宽优于112M Hz($K<3.6@10-6nm)。
实验证实了强反馈能够很好地改善外腔半导体激光器的动态特性。
关键词:外腔半导体激光器;外腔反馈;强反馈;窄线宽中图分类号:T N24文献标识码:AStudy of blaze grating feedback externa-l cavitysemiconductor laser with narow-linewidthJIAN G Peng-fei,ZH OU Yan,XIE Fu-zeng(Institute of Semiconductors,Chinese A cademy of Sciences,Beijing100083,China) Abstract:Based on t he discussion of linewidth-narrow ing of t he semiconductor laser,ex periment al results of ex ternal cav ity semico nductor laser wit h narrow-linew idt h ar e reported.W ith a blaze g rating offering ex ternal feedback,strong coupled ex ter nal cav ity fo r a commercial semiconductor laser can improve the output char acteristics of949.6nm semiconductor laser.I ts side mode suppression rat io is more than30dB,and spectrum linew idth is narrow er than3.6@10-6nm.T he exper iment show s that the strong feedback can improve the dynamical character istics of an external cav ity semiconductor laser.Key words:externa-l cavit y semiconductor laser;external feedback;stro ng-feedback;narrow linewidth1引言在半导体激光器的诸多应用中,半导体激光的线宽是一个非常重要的指标。
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。
半导体激光器的线宽1.引言1.1 概述半导体激光器是一种重要的光电子器件，广泛应用于通信、医学、仪器仪表等领域。
而激光的线宽是衡量激光光谱纯度和频率稳定性的重要指标之一。
在半导体激光器中产生的激光不是单一频率的，而是由多个频率组成的光谱。
这个光谱宽度被称为激光的线宽。
一般来说，较窄的线宽代表着更单色和更稳定的激光光源。
半导体激光器的线宽受到多种因素的影响。
首先，半导体材料的本征特性会对激光器的线宽产生影响。
例如，激光器中的电子与空穴之间的相互作用会导致能级的展宽，从而增大激光器的线宽。
其次，激光器的工作状态也会对线宽造成影响。
激光器的线宽可以通过改变工作温度、注入电流等方式进行调节。
一般来说，激光器在较高的温度下工作，其线宽会较宽。
而当激光器工作在阈值以上的电流范围内时，线宽会更宽。
最后，激光器的结构参数也会对线宽产生影响。
例如，激光腔长度的改变可以影响激光的谐振模式，从而影响线宽的大小。
综上所述，半导体激光器的线宽是一个复杂而重要的问题，涉及到材料特性、工作状态和结构参数等多个方面的因素。
了解和控制激光器的线宽对于提高激光器的性能，以及满足不同应用领域对激光器的要求具有重要意义。
在接下来的部分中，本文将从半导体激光器的原理以及线宽影响因素两个方面展开讨论，以期更全面地了解和探究这一问题。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以如下所示:本文将按照以下结构来组织讨论半导体激光器的线宽问题。
首先，在引言部分，将对半导体激光器的概念和应用进行简要介绍，并解释本文的目的和意义。
接下来，在正文部分，将详细探讨半导体激光器的原理，包括其工作原理、组成结构和工作模式。
同时，也会分析半导体激光器的线宽受到的影响因素，如材料特性、光学腔结构等。
在结论部分，将对半导体激光器的线宽问题进行总结，并展望半导体激光器线宽研究的未来发展方向。
通过以上结构安排，本文将系统全面地介绍半导体激光器的线宽问题。
读者可以逐步了解半导体激光器的基本原理，并了解其线宽问题。
第02期2020年01月No.02January，2020三色激光显示以其高亮度、广色域、高饱和度和长寿命等优点被称为下一代显示技术，并已进入产业化阶段。
三色激光显示使用的是半导体激光器，无法避免激光散斑对其画质造成的影响，因此散斑抑制成为三色激光显示行业技术发展的关键。
激光散斑是由于激光的高相干性而在激光光斑中出现高对比度但尺寸细微的颗粒状图样[1]。
散斑实际上是干涉条纹，激光投影显示系统中的散斑是由屏幕表面和探测器（人眼或CCD ）等散射的相干光相互干涉而形成的[2]。
不同课题组及公司已针对散斑问题进行了大量的研究和实验，并提出多种方法来消除散斑，基本可分为动态消散和静态消散两个种类。
目前较为成熟的动态消散技术包括在光路中加入扫描漫射体[3]、旋转散射片[4-5]以及引入运动屏幕[6]等。
而常用的静态消散斑技术包括利用偏振多样性、波长多样性、基于米式散射[7]以及在光路中引入衍射光学元件（Diffraction Optical Elements ，DOE ）[8]等方案。
静态消散的方式无机械振动，有利于小型化以及系统的稳定，但消散能力有限；动态消散的方式虽然能够实现较好的消散效果，但是增加了系统结构的复杂度、成本以及不稳定性[9]。
理论和实验研究表明，光反馈可以压窄或展宽半导体激光器的光谱线宽，光反馈技术可以调谐半导体激光器的相干长度，依照这一理论，通过光反馈技术可以改变半导体激光器的时间相干性，进而改变散斑的状态。
若此技术得到验证和应用，可从根本上改善散斑状态。
文章将用实验验证光反馈技术改善散斑的效果，并对其机理进行分析和讨论。
1 光反馈试验装置和原理说明1.1 散斑评价方法散斑对比度C 是定量分析散斑图样常用的方法，其表达式如（1）所示：1C Iσ=（1）其中，σ1为光强的标准分布，I 为光强的平均值。
当散斑对比度C 小于0.04时，人眼将无法分辨出散斑，正确的测量散斑及获得散斑图样是计算对比度的基础。
