半导体激光器发射光谱测量

实验C 半导体激光器发射光谱测量
实验简介：
半导体激光器是以半导体材料作为工作物质的激光器，也是近年来发展得最快的激光器之一。

1962年夏，通用电气实验室的Holonyak在温度为77K的条件下，实现时间短暂的注入受激辐射。

当时的半导体激光器采用同质结结构，由于它在室温下的阈值电流密度高达104A/cm2量级，故只能在液氮温度下才能连续工作，因而是没有实用价值的。

随着半导体工艺的发展，后来出现了能在室温下进行脉冲工作的半导体激光器。

1970 年研制成功的双异质结半导体激光器可在室温下连续工作，其阈值电流密度几乎降低了两个数量级。

20 世纪70年代中期开始出现了一些高功率、具有不同特点、频率响应特性好、热稳定性好的单模激光器，如分布反馈(DFB)、分布布拉格反射(DBR)、解理耦合腔、双有源层和量子阱等结构的半导体激光器。

其振荡波长已能覆盖从30µm的红外到0.32µm的紫外这样大的范围。

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。

实验仪器：
650半导体激光器、激光功率计、MS9001B/B光谱仪、闪耀光栅、透镜、He—Ne激光器、470 型扫描干涉仪。

实验原理：
（一）半导体激光器的辐射机理
从激光物理学中，我们知道产生激光的必要条件是粒子数反转，在半导体激光器中称作载流子数反转分布。

正常条件下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才能填充到高能态的导带；而空穴则相反。

如果用光注入或电注入的方法，使p-n结附近区域形成大量的非平衡载流子，即在小于复合寿命的时间内，电子可在导带，空穴可在价带分别达到平衡（如图1），那么在此注入区内，这些简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布，也称之为载流子反转分布。

注入区称为载流子分布反转区或作用区。

结型半导体激光器通常用与p-n结平面相垂直的一对相互平行的自然解理面构成平面腔。

在结型半导体激光器的作用区内，开始时导带中的电子自发地跃迁到价带和空穴复合，产生相位、方向并不相同的光子。

大部分光子一旦产生便穿出p-n结区，但也有一部分光子p-n结区平面内穿行，并行进相当长的距离，因而它们能激发产生许多同样的光子。

这些光子在平行的镜面间不断地来回反射，每反射一次便得到进一步的放大。

这样重复和发展，就
使得受激辐射趋于占压倒的优势，即逐渐集中到垂直于反射面的方向上形成激光输出。

由于半导体激光器的激发是带—带激发，不象其它激光器是能级之间的受激辐射，因此，半导体激光器的增益曲线平缓。

尽管腔长非常短，模间距较大，半导体激光器也能够输出多纵模，谱线宽度非常宽，可达几十nm。

（二）阈值电流
对于半导体激光二极管来说，当正向注入电流较低时，增益α< G，此时半导体激光器只能发射荧光；随着电流的增大，注入的非平衡载流子增多，使增益接近损耗，尚未克服损耗，在腔内无法建立起一定模式的振荡，这种情况被称为超辐射；当注入电流增大到某一值时，增益将克服损耗，半导体激光器能输出激光，此时的注入电流值定义为阈值电流I th。

半导体激光器输出光强与注入电流的关系如图2。

当注入电流较低时，输出光强随注入电流缓慢上升。

当注入电流达到并超出阈值电流后，输出光强陡峭上升。

我们把陡峭部分外延，将延长线和电流轴的交点定义为阈值电流I th。

（三）谱线宽度压窄的机理和方法
在半导体激光器的诸多应用中，半导体激光器的线宽是一个非常重要的指标。

目前通用的半导体激光器线宽在50∼100MHz，这是在采用稳流和温控等措施之后达到的。

这些通用的激光器能够满足一般需要，但对于要求窄线宽光源的场合，如高分辨率激光光谱、激光冷却囚禁原子、新型量子频标等，这种激光器就不能满足要求了。

特别是在现代光通讯中，谱线宽度越窄，则意味着传输的信道数目越多。

为充分发挥半导体激光器的作用，就必须设法压窄线宽。

在半导体激光器工作时，腔内同时存在着受激辐射和自发辐射两种过程。

自发辐射产生的光子的相位随机分布将形成激光场的本征线宽∆ν0（谱线的半高宽）为：
式中P为该模式的光功率，∆νc为有源腔的线宽，它由下式确定：
式中τc为光在有源腔内往返一周的时间，l为腔长，a为损耗。

由式（1）和（2）可以看出激光功率越大，腔长越长则激光的本征线宽越窄。

自发辐射不但引起相位的变化，而且还能引起光场强度的起伏。

光场强度变化引起载流子密度的变化，从而导致介质折射率实部n’和虚部n’’的变化。

其实部变化∆n’表征了因载流子密度的变化所导致的介质增益的变化；而虚部的变化∆n’’表征了载流子密度的变化引起
的光场相位的变化。

令
则半导体激光器的线宽∆νL=∆ν0（1+a2），可见光场强度的起伏导致谱线加宽了（1+a2）倍。

半导体激光器压窄线宽的方法大体分为两种：
一种是从半导体激光器自身去考虑，既不断改进半导体激光器的性能。

典型的是DBR 半导体激光二极管，其结构图如图3所示。

其中A区为工作区，产生谱线较宽的激光；P区是相位控制区；B区是布拉格光栅。

布拉格光栅能够使满足光栅方程的某一波长的光波输出，达到压窄谱线宽度的目的；通过P 区相位控制来达到选模的目的。

另一种方法是利用激光外腔光反馈法压窄激光线宽和选择单纵模，如图4所示。

M1、M2为内腔镜，M3为外腔镜；l为内腔长，L外腔长。

r1、r2为内腔两解理面反射率，r3为外腔镜的反射率。

外腔光反馈，分为强反馈和弱反馈。

强反馈是在图4的M2镜上镀增透膜以增加反馈光强；弱反馈则不改变内腔参数。

典型的弱耦合光栅外腔半导体激光器由激光二极管和闪耀光栅构成，如图5所示。

该系统利用闪耀光栅的选频特性压窄激光线宽和选取单纵模，同时，改变光栅角度，还可选取不同波长，以实现激光输出的波长调谐。

从原理上讲外腔反馈可以从两个方面使线宽变窄：
（1）加入外腔等于增大腔长。

（2）引入反馈可以增加受激辐射抑制自发辐射。

实验内容：
1、阈值电流的测量；
2、发射光谱的测量；
3、谱线宽度的压窄及测量。

注意事项：
1、实验中首先注意人体安全，不要让激光直射眼睛，即使是散射光也是有害的。

2、激光二极管的p-n结非常之薄，极易被击穿（人体的感应电压已足够）。

所以它非常惧怕浪涌电流。

在开关半导体激光器的稳流电源时，首先确保电流源的调整旋钮置于最低处（逆时针旋转到头）。

开时，先开启开关1，再开开关2；关闭时，先关开关2，再关闭开关1。

3、光谱仪、扫描干涉仪价格昂贵，要按照使用手册操作。

4、实验中注意光栅的安全，不要触摸。

实验结果：
（1）阈值电流的测量
将实验数据绘制出注入电流与输出光功率之间的曲线，如下所示；经过拟合可得到阈值电流为9.20mA。

（2）发射光谱的测量
当注入电流强度较小（如9.9mA ）时，可以看到谱线中多种纵模并存，主峰与其邻近峰的高度比约为2：1，且主峰宽度较大；
当注入电流强度较大（如15.0mA ）时，可以看到谱线中模式较为单一，主峰宽度很窄，但是不固定，不断变动，主峰两侧仍有峰值很小的其他模式。

（3）谱线宽度的压窄及测量
利用闪耀光栅使一级衍射光在谐振腔内形成光学反馈，而零级用于输出，经过耦合进入光谱仪中，此时注入的电流强度为19mA 。

我们观察到谱线的模式更为单一、突出，主峰两侧几乎没有其他模式形成的峰；主峰宽度很窄，且可以保持相对长时间的稳定。

从而得到，加入光栅，引入反馈增加受激辐射抑制自发辐射，可以使激光器输出模式单一，波长稳定的激光的结论。

注：我们将实验所测得的光谱图附于实验报告上。

实验思考：
1. 半导体激光器的优点和缺点？
答：优点：半导体激光器体积小(其工作区域只有µm 量级，一维长度也只有mm 量级)；效率高(其效率大于 l0-1，与氩离子激光器相比，后者效率只有10-3)；泵浦方式多(P-N 结注入电流激励，电子束激励，光激励，碰撞电离等)。

缺点：单色性差、方向性差，发散角比较大。

2. 光栅选模是怎么实现的？
答：因为衍射光栅满足光栅方程λθφK d =+)sin (sin ，其中φ为入射光与光栅法线的夹角，θ为衍射光与光栅法线的夹角，d 为光栅常数，K 为任意常数。

当某一波长λi 的K i 级衍射光恰好沿入射光方向返回工作物质时，则i i K d λφ=sin 2，此时λi 的第K i 级衍射光反馈回腔内，有可能形成激光振荡。

本实验是先获得模式较为单一的某一波长，之后再将激光打到闪耀光栅上，然后转动衍射光栅使一级衍射光反馈回谐振腔内，将零级衍射光作为激光输出至光谱仪中，从而获得模式更为单一、稳定的单色光。