半导体激光器系统的动态特性研究资料
半导体激光器实验报告
半导体激光器实验报告半导体激光器实验报告引言：半导体激光器是一种重要的光电子器件，具有广泛的应用领域，如通信、医疗、工业等。
本实验旨在通过搭建实验装置，研究半导体激光器的工作原理和性能特点，并探索其在光通信领域的应用。
实验一：激光器的工作原理激光器的工作原理是基于光放大和光反馈的原理。
在实验中，我们使用一台半导体激光器，通过电流注入激发半导体材料，产生光子。
这些光子在激光腔中来回反射，不断受到增益介质的放大，最终形成激光束。
实验装置中的关键组件包括半导体激光器、激光腔、准直器和光探测器。
半导体激光器通过电流注入，激发载流子跃迁，产生光子。
光子在激光腔中来回反射，经过准直器调整光束的方向，最后被光探测器接收。
实验二：激光器的性能特点在实验中，我们测试了激光器的输出功率、波长和光谱宽度等性能指标。
通过改变注入电流和温度等参数，我们研究了激光器的输出特性。
首先，我们测试了激光器的输出功率。
通过改变注入电流，我们观察到激光器输出功率随电流增加而增加的趋势。
然而，当电流达到一定值后，激光器的输出功率不再增加，甚至出现下降。
这是由于激光器的光子数饱和效应和损耗机制导致的。
其次，我们测量了激光器的波长。
通过调节激光腔的长度，我们观察到激光器的波长随腔长的变化而变化。
这是由于激光腔的谐振条件决定了激光器的输出波长。
最后，我们研究了激光器的光谱宽度。
通过光谱仪测量激光器的光谱分布，我们发现激光器的光谱宽度与注入电流和温度有关。
随着注入电流的增加和温度的降低，激光器的光谱宽度变窄，光纤通信系统中要求的窄光谱宽度可以通过适当的调节实现。
实验三：半导体激光器在光通信中的应用半导体激光器在光通信领域有着重要的应用。
我们通过实验研究了激光器在光纤通信中的应用。
首先，我们将激光器的输出光束通过光纤传输。
通过调节激光器的输出功率和波长，我们实现了光纤通信中的光信号传输。
通过光探测器接收光信号，并通过示波器观察到了传输过程中的光信号波形。
半导体激光器的原理及应用论文
半导体激光器的原理及应用论文半导体激光器是使用半导体材料作为激光活性介质的激光器。
其工作原理主要是通过半导体材料中的电子与空穴的复合过程产生光辐射，然后通过光放大与反射来形成激光输出。
半导体激光器具有小体积、高效率、快速调谐和易集成等特点，广泛应用于光通信、激光雷达、光储存等领域。
半导体激光器的基本结构包括激活区、pn结以及光反射与光增强结构。
激活区是半导体材料的核心部分，通过电流注入产生电子空穴复合过程来产生光辐射。
pn结是半导体激光器的结电阻，通过透明导电薄膜使电流从n区流入p区，进而在激活区形成电子空穴复合。
光反射与光增强结构包括反射镜和波导，用于增加激光器输出的光强度与方向性。
半导体激光器具有广泛的应用领域。
在光通信领域，半导体激光器被广泛用于光纤通信和光纤传感器系统。
半导体激光器通过调制光信号，可以实现高速传输，并且具有高能效和稳定性。
在激光雷达领域，半导体激光器用于提供高亮度、窄线宽和快速调谐的激光源，用于实现高分辨率的距离测量和目标识别。
在光储存领域，半导体激光器用于光盘、蓝光光盘等储存介质的读写操作，具有高速、高信噪比和长寿命等特点。
近年来，半导体激光器的研究重点主要是提高其性能和功能。
例如，通过调制技术可以实现高速调制，将半导体激光器应用于光通信的需要；通过外腔技术可以实现单纵模输出，提高激光的空间一致性和色散特性，扩展其应用领域；通过量子阱技术可以实现更高的量子效率和辐射效率，提高激光器的功率和效能。
总之，半导体激光器作为一种重要的激光器件，在光通信、激光雷达、光储存等领域具有广泛的应用前景。
随着相关技术的不断发展与进步，半导体激光器的性能与功能将得到进一步的提升，为相关领域的应用带来更多的机遇和挑战。
半导体激光器调研报告
半导体激光器调研报告
涉及的内容有：
一、研究背景及意义
半导体激光器是一种基于半导体复合结构的激光器，是一种具有高功率、高效率、高可靠性的激光源，大大提高了光源的性能。
半导体激光器
的研究对于推动新一代光技术和材料的发展具有重要意义，对提升人们生
活水平和发展社会经济有重要意义。
二、半导体激光器结构特点
半导体激光器有两种结构类型：带金属接触的半导体复合结构和晶体
材料复合结构。
带金属接触的半导体复合结构由两种不同类型的半导体，
即P型半导体和N型半导体构成，在这两种半导体之间插入金属接触器
（也称为金属接头），形成带金属接触的半导体复合结构。
晶体材料复合
结构是把一种半导体和一种晶体材料复合起来，其结构仅由两种材料构成，与前一种带金属接触的复合结构相对。
三、半导体激光器工作原理。
光纤通信原理第二章3 半导体激光器的模式特性
§3.2 激光器的横模
横模表示与谐振腔方向垂直的光场的 分布. 垂直横模：垂直于PN结方向的场分量 水平横模：平行于PN结方向的场分量
横模的分布决定了光场的空间分布,影 响了器件和光纤的耦合效率.
要求激光器工作在基横模.
近场光斑
远场光场分布
近场光斑
远场光场分布
问题：
光与物质相互作用的三个物理过程？指出半导 体激光器、发光二极管和光电探测器的工作原 理各建立在哪个作用的基础上 ？ 光纤通信系统对于光源的要求？ 半导体激光器的温度特性表现？ 已知某 LD 的特征温度为720K（开氏温度）， 而且在200C 时，阈值电流 Ith =16 mA；求在 700C时该LD的阈值电流。
光
激光器在不同注入电流下的发射光谱 与输出功率
2 纵模间隔
在谐振腔里建立起稳定振荡的相位 条件为:
2 L = 2q
q = 1,2,3
2nL = q
q = 2nL
对波长求导，有：
性质
■纵模数目随注入电流而变 ■峰值波长随温度变化 ■动态谱线展宽
§3 半导体激光器的模式特性
横模表示谐振腔横截面上场分量的 分布形式
纵模表示在谐振腔方向上光波的振 荡特性—激光器的光谱特性
P
Threshold
P peak
I
§3.1激光器的纵模
1 纵模的概念 激光器的纵模反映激光器的
光谱性质。 • 当注入电流低于阈值时，光谱是
自发辐射谱，光谱较宽 • 当注入电流高于阈值时，输出激
温度变化导致 光谱中心波长
偏移
调制电流变化导致 动态谱线展宽
注入电流 变化
载流子浓度 变化
折射率
动态谱线 展宽
半导体激光器的研究进展
半导体激光器的研究进展摘要：本文主要述写了半导体激光器的发展历史和发展现状。
以及对单晶光纤激光器进行了重点描述，因其在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，近年来成为新型固体激光源研究的热点。
一、引言。
激光是20 世纪以来继原子能、电子计算机、半导体之后人类的又一重大发明。
半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大的规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。
半导体激光历经五十余年发展，作为一个世界前沿的研究方向，伴随着国际科技进步突飞猛进的发展，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。
半导体激光的进步在国际范围内受到了高度的关注和重视，不仅在基础科学领域不断研究深化，科学技术水平不断提升，而且在应用领域上不断拓展和创新，应用技术和装备层出不穷，应用水平同样取得较大幅度的提升，在世界各国的国民经济发展中，特别是信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用。
本文对半导体激光器的发展历史和现状进行了综述，同时因单晶光纤激光器在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，本文也将对其做重点描述。
二、大功率半导体激光器的发展历程。
1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs同质结构注入型半导体激光器。
由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要5 × 104～1 ×105 A /cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。
从此开始，半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。
1963 年，美国的Kroemer和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。
随着异质结材料的生长工艺，如气相外延( VPE) 、液相外延( LPE) 等的发展，1967年，IMB 公司的Woodall 成功地利用LPE 在GaAs上生长了AlGaAs。
半导体激光器实验报告
一、实验目的1. 熟悉半导体激光器的基本结构和工作原理。
2. 掌握半导体激光器的电学特性、光学特性及其调节方法。
3. 通过实验了解半导体激光器在光电子技术方面的应用。
4. 学习使用WGD6光学多道分析器等实验仪器。
二、实验原理半导体激光器是一种基于半导体的电致发光效应的激光器。
当电流通过p型和n型半导体材料形成的pn结时，电子和空穴在pn结的活性区内复合，释放出能量，产生光子。
这些光子在谐振腔中多次反射和放大，最终形成具有特定波长、相位和方向性的激光输出。
半导体激光器的主要结构包括：半导体材料、pn结、谐振腔、光学元件等。
其中，半导体材料是激光器的核心部分，决定了激光器的波长、功率和效率。
pn结是半导体激光器的能量源，谐振腔是激光器的放大器，光学元件则用于调节激光器的光路。
三、实验仪器与材料1. 半导体激光器及可调电源2. WGD6型光学多道分析器3. 可旋转偏振片4. 旋转台5. 多功能光学升降台6. 光功率指示仪四、实验步骤1. 连接仪器：将半导体激光器、可调电源、WGD6型光学多道分析器、可旋转偏振片、旋转台、多功能光学升降台和光功率指示仪连接好。
2. 调节激光器：调整可调电源，使激光器工作在阈值电流附近。
观察激光器输出光斑，调整激光器的光路，使光斑最小化。
3. 测量电学特性：记录激光器在不同电流下的输出功率，分析激光器的电学特性。
4. 测量光学特性：使用WGD6型光学多道分析器测量激光器的光谱特性，分析激光器的光学特性。
5. 调节光路：通过旋转偏振片和旋转台，观察激光器的输出光斑，调整光路，使光斑最小化。
6. 观察应用：观察激光器在光电子技术方面的应用，如光纤通信、激光雷达等。
五、实验结果与分析1. 电学特性：实验结果显示，随着电流的增加，激光器的输出功率逐渐增加，但在阈值电流附近，输出功率增加速率最快。
这表明半导体激光器具有饱和特性。
2. 光学特性：实验结果显示，激光器的光谱线为单色线，且光斑最小化。
半导体激光器的模式及特性
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性 光谱特性
LED和LD的光谱特性 和 的光谱特性
λ0 1.0 0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4 0.2 40 60 0 -40 -20 0 20 40 λ0 λ0 1.0
(2~5)nm
1.0 0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4 0.2 0 -60 -40
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性 光谱特性 (4) 边模抑制比（SSR） 边模抑制比（SSR）
边模抑制比是指在发 射光谱中， 射光谱中，在规定的 输出功率和规定的调 制时最高光谱峰值强 制时最高光谱峰值强 度与次高光谱峰值强 度之比。 度之比。该参数仅用 于单模LD， 于单模 ，如DFB－LD。 － 。
4.2.5 半导体激光器的模式
1．激光器的模式分析 ．
纵模决定频谱特性 纵模决定频谱特性 横模决定光场的空间特性 光场的空间特性， 横模决定光场的空间特性，即横模决定近场特性 在激光器表面）和远场特性（近场的傅里叶变换） （在激光器表面）和远场特性（近场的傅里叶变换） 横模分为水平横模和垂直横模两种类型。 横模分为水平横模和垂直横模两种类型。 水平横模和垂直横模两种类型 水平横模反映出有源区中平行于 结方向光场的空 水平横模反映出 有源区中平行于PN结方向光场的空 有源区中平行于 间分布， 主要取决于谐振腔宽度、 间分布 ， 主要取决于谐振腔宽度 、 边壁材料及其制 作工艺。 作工艺。 垂直横模表示与PN结垂直方向上电磁场的空间分布。 垂直横模表示与 结垂直方向上电磁场的空间分布。 结垂直方向上电磁场的空间分布
o
近场 图案 远 场 光 o 斑 30
I =80mA 72 64 60
o 10 TEM00 S ~10µm W ~ 1µm
半导体激光器件研究报告
半导体激光器件研究报告半导体激光器件研究报告一、研究背景半导体激光器件是一种利用半导体材料产生激光的器件，其具有小体积、高效率、低成本等优点，因此在光通信、光存储、激光医疗等领域有广泛应用。
随着光通信领域的快速发展，对半导体激光器件的需求也日益增加，因此对半导体激光器件的研究变得尤为重要。
二、研究目的本研究旨在通过对半导体激光器件的研究，提高其性能并探索新的应用领域。
具体目标包括：1. 研究各类半导体材料的激光器件制备方法，探索制备工艺的优化。
2. 提高半导体激光器件的光电转换效率，降低能量损耗。
3. 针对特定应用场景，设计新型的半导体激光器件结构，提高其功率输出和稳定性。
4. 综合考虑半导体激光器件的电性能、光学性能和热性能，优化器件的整体性能。
5. 探索半导体激光器件在光通信、光存储、激光医疗等领域的应用。
三、研究方法本研究将采用实验室研究与理论分析相结合的方法，具体包括：1. 实验室研究：通过搭建半导体激光器件制备实验平台，研究不同材料的激光器件制备方法，并对制备工艺进行优化。
同时，通过实验测试，评估不同器件的性能。
2. 理论分析：通过理论模拟和数值计算，分析半导体激光器件的光学特性、电学特性和热学特性，优化器件的设计与结构。
3. 综合分析：将实验结果与理论分析相结合，对半导体激光器件进行综合分析和评价。
四、研究预期成果通过本研究，我们预期能够获得以下成果：1. 对不同材料的半导体激光器件制备方法进行研究，探索制备工艺的优化方案。
2. 提高半导体激光器件的光电转换效率，降低能量损耗。
3. 设计新型的半导体激光器件结构，提高器件的功率输出和稳定性。
4. 优化器件的电性能、光学性能和热性能，提高整体性能。
5. 探索半导体激光器件在光通信、光存储、激光医疗等领域的应用。
以上为半导体激光器件研究报告的基本内容，具体研究细节将根据实际情况进行调整和补充。
半导体激光器系统的动态特性研究
山西大学物理电子工程学院实验论文半导体激光器稳频系统的动态特性研究学院：物理电子工程学院专业：光信息科学与技术导师：王彦华姓名：杜小娇任思宇学号：2013274002 20132740半导体激光器稳频系统的动态特性研究摘要：本实验在现代社会中自动控制系统技术的启发下，考虑到目前激光技术的发展前景广阔，应用也比较广泛，决定将用类似的方法研究激光器稳频系统的动态特性。
在闭环系统中通过不同干扰信号的扰动，观察整个系统的响应，最终得到传递函数，进而分析出该系统的幅频和相频特性。
关键字：激光器稳频系统干扰信号传递函数幅频特性相频特性（一）引言提高激光器系统稳定性在激光技术、超精密加工、测量设备量子信息等诸多科技前沿领域有着举足轻重的地位。
影响激光系统稳定性的因素有很多，例如激光器、气压、震动等。
如果激光器系统的稳定性提高到十几个小时乃至更高，那么对于恶劣环境的干扰就可以得以消除，更有利于实验的进行。
对于激光器稳定性的研究更显得尤为重要，在激光器输出功率稳定性[1-2]的系统中，都实现了激光器输出功率的长期稳定性。
在山西大学[3-6]也有很多实验需要建立在稳定系统来进一步发展。
二阶闭环系统稳定的研究过程中针对信号及信号处理[7-8]已经有了较为成熟的一系列体系。
因此，结合自动控制理论研究激光器系统及其动态响应，以实验结果为依据，对特定环境下激光器的结构设计的优化以及环路的参数的确定和调试，进行数学建模，从而提供更科学的处理方案，并给出一些的针对性的建议是非常重要的研究工作。
（二）实验原理2.1半导体激光器（ECDL）激光器的种类很多，分类的依据也有很多。
其中根据其增益介质的不同可分为气体激光器、固体激光器、光纤激光器、染料激光器以及半导体激光器。
半导体激光器因其结构紧凑、操作简单、便于集成、价格低廉、功耗低、工作波长范围大等优点而被广泛应用于冷原子物理、量子操控等前沿研究和高分辨率光谱，高精度测量很多技术领域。
半导体激光器
半导体激光器半导体激光器：光电技术的重要突破引言随着科技的飞速发展，半导体激光器作为一项重要的光电技术正逐渐成为人们关注的焦点。
半导体激光器具有窄谱线宽、高光输出功率、高能量转换效率等优点，广泛应用于通讯、医学、照明等领域。
本文将为您详细介绍半导体激光器的原理、特点以及应用前景。
一、半导体激光器的原理半导体激光器是一种通过激发半导体材料产生激光的器件。
它由半导体材料构成，其中镜子是主要的光学部件。
通过在半导体材料中注入电流，将电能转化为光能，通过反射镜的反射和透过作用，使光在腔内来回反射，从而放大并产生激光。
这一过程主要依赖于激子的生成、传输和激发。
二、半导体激光器的特点1. 窄谱线宽：半导体激光器的谱线宽度通常较窄，能够在光的频域内集中较大的功率。
这一特点使得半导体激光器在光通信领域具有重要的应用前景。
2. 高光输出功率：半导体激光器的光输出功率较高，在一定应用范围内能够满足大功率光源的需求。
这也使得半导体激光器在照明和激光加工等领域得到广泛应用。
3. 高能量转换效率：相对于其他类型的激光器，半导体激光器的能量转换效率较高。
这一特点使得半导体激光器在能源利用效率方面具有优势。
4. 尺寸小、重量轻：由于半导体激光器的结构简单，尺寸小、重量轻，因此便于集成和便携。
这也为其在手持设备和便携式仪器等领域的应用提供了更多可能性。
三、半导体激光器的应用1. 光通信：半导体激光器具有较高的调制速度和窄的发射谱线宽度，使其在光通信系统中得到广泛应用。
目前，大部分的光通信系统都采用半导体激光器作为光源。
2. 医学：半导体激光器在医学领域有着广泛的应用，如激光治疗、激光手术和皮肤美容等。
半导体激光器的小尺寸和高功率输出使其成为医学器械领域的理想选择。
3. 照明：半导体激光器在照明领域的应用越来越受到关注。
相较于传统照明设备，半导体激光器具有较高的能量转换效率和较长的寿命，能够提供更加稳定和均匀的照明效果。
4. 激光显示：半导体激光器也被应用于激光显示技术中。
半导体激光器的工作特性
本章难点
发光机理。
2
第3章 通信用光器件
学习本章目的和要求 了解半导体激光器的物理基础。
光纤通信
掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工
作特性。
熟悉光源的驱动电路工作原理。 掌握光电检测器的工作原理及特性。 掌握无源光器件的功能及主要性能。
3
3.1 光源
信号转换成光信号送入光纤。
25
3.1.2 半导体激光器
光纤通信
随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。当 驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵
模激光器。
普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好的单纵模 谱线，所对应的光谱只有一根谱线，如图3-8（a）所示。而在高 码速调制情况下，其线谱呈现多纵模谱线。如图3-8（b）所示。 一般，用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光 器，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的 结构，例如分布反馈半导体激光器（DFB-LD）。
光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这 个过程是在外来光子的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐
射——激光器。 注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。
9
3.1.1 激光器的工作原理
（4）粒子数反转分布与光的放大
受激辐射是产生激光的关键。
光纤通信
如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在
以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的 光放大和激光振荡输出。
激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。
12
3.1.1 激光器的工作原理
① 光学谐振腔的结构
光纤通信
半导体激光器原理和应用
Jth(T) Jth(Tr ) exp((T Tt ) /T0)
Jth（T）和Jth（Tr）分别为在某一温度T和室温Tr下所测得阈值电流密度， T0是一种由试验拟合旳参数，称为特征温度。 轻易看出，当 T0 时，阈值电流将不随温度变化，故提升T0是一种主要旳研究 内容。阈值电流对温度旳依赖关系主要来自于下列原因：
1）外部光注入，能有效增长自发发射因子，不但能克制张弛振荡，还能克制 多纵模旳出现。
2）自反馈注入或采用外部电路。自注入措施是将LD输出旳一部分以张弛振荡 周期旳0.2~0.3倍旳时延再注入到它本身旳腔内，能有效克制张弛振荡。采用 外部LCR滤波电路来分流高频分量，进而克制类谐振现象。
3）窄条半导体激光器。条宽减窄能降低载流子扩散旳影响，稳定横模，也能 克制张弛振荡和类谐振现象。
I
I Ith
式中，τth为在阈值处旳载流子寿命（一般为2~5ns）。显然，在高速调制下，
td将产生调制畸变。降低td最简朴旳措施是在激光器上再加上一种接近阈值电流Ith
旳偏流Ib，这时有
td
th ln
I
I (Ith
Ib)
这使这个过分过程开始旳突变幅度减小。但是，假如偏置到阈值或阈值以上，消 光比减小，造成接受机敏捷度降低。故在低速调制下，一般偏置到0.94Ith左右。
半导体激光器旳模谱
半导体激光器在不同工作电流下旳模谱
观察可知，激光能量向主模转移，峰值波长发生红移
半导体激光器旳特征
转换效率高：>70%。 体积小：<1mm3 寿命长，可达数十万小时 输出波长范围广：，2~3um。 易调制：直接调制 缺陷：发散角大，光束质量差。
半导体激光器
激光振荡的相位条件为
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L= m 或 2nL
2n
m
式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，m=1, 2, 3 … 称为纵模模数。
在共振腔内沿腔轴方向形成的各种驻波称为谐振腔的纵模。 有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光 腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有 一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。
On the evening of July 24, 2021
Courseware template
3
激光振荡的产生 粒子数反转分布（必要条件)+ 激活物质置于光学谐振腔中，
对光的频率和方向进行选择 = 连续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射
镜构成，并被称为法布里-珀罗(Fabry Perot, FP)谐振腔。 由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产
受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同， 这种光称为相干光。
自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其 频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种 光称为非相干光。
受激辐射和受激吸收的区别与联系
受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间 跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件， 即
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解理面
有源区 L
解理面
R1
增益介质
R2
z=0
z=L
法布里－珀罗腔
On the evening of July 24, 2021
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半导体激光器系统的动态特性研究
山西大学物理电子工程学院实验论文半导体激光器稳频系统的动态特性研究学院：物理电子工程学院专业：光信息科学与技术导师：王彦华姓名：杜小娇任思宇学号：2013274002 20132740半导体激光器稳频系统的动态特性研究摘要：本实验在现代社会中自动控制系统技术的启发下，考虑到目前激光技术的发展前景广阔，应用也比较广泛，决定将用类似的方法研究激光器稳频系统的动态特性。
在闭环系统中通过不同干扰信号的扰动，观察整个系统的响应，最终得到传递函数，进而分析出该系统的幅频和相频特性。
关键字：激光器稳频系统干扰信号传递函数幅频特性相频特性（一）引言提高激光器系统稳定性在激光技术、超精密加工、测量设备量子信息等诸多科技前沿领域有着举足轻重的地位。
影响激光系统稳定性的因素有很多，例如激光器、气压、震动等。
如果激光器系统的稳定性提高到十几个小时乃至更高，那么对于恶劣环境的干扰就可以得以消除，更有利于实验的进行。
对于激光器稳定性的研究更显得尤为重要，在激光器输出功率稳定性[1-2]的系统中，都实现了激光器输出功率的长期稳定性。
在山西大学[3-6]也有很多实验需要建立在稳定系统来进一步发展。
二阶闭环系统稳定的研究过程中针对信号及信号处理[7-8]已经有了较为成熟的一系列体系。
因此，结合自动控制理论研究激光器系统及其动态响应，以实验结果为依据，对特定环境下激光器的结构设计的优化以及环路的参数的确定和调试，进行数学建模，从而提供更科学的处理方案，并给出一些的针对性的建议是非常重要的研究工作。
（二）实验原理2.1半导体激光器（ECDL）激光器的种类很多，分类的依据也有很多。
其中根据其增益介质的不同可分为气体激光器、固体激光器、光纤激光器、染料激光器以及半导体激光器。
半导体激光器因其结构紧凑、操作简单、便于集成、价格低廉、功耗低、工作波长范围大等优点而被广泛应用于冷原子物理、量子操控等前沿研究和高分辨率光谱，高精度测量很多技术领域。
半导体激光器特性及调制特性实验
（操作性实验）课程名称：激光原理与技术实验题目：半导体激光器特性及调制特性实验指导教师：班级：学号：学生姓名：一、实验目的和任务1.掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理，测量泵浦LD经快轴压缩后的阈值电流和输出特性曲线。
2.用辅助激光器法，构造固体激光器谐振腔，并使其发光。
3.选用不同透过率腔镜，测试不同LD电流下的激光输出功率，结合LD的功率-电流关系，计算两种耦合输出下的激光斜效率和光光转换效率。
二、实验仪器及器件1、半导体激光器2、耦合系统3、Nd:YAG晶体4、输出镜5、功率计6、探测器三、实验内容及原理1、LD安装及系统准直将LD电源接通。
通过上转换片观察LD出射光近场和远场的光斑。
测量LD经快轴压缩后的阈值电流和输出特性曲线。
2、半导体泵浦固体激光器实验用大功率的808nmLD泵浦Nd：YAG晶体，通过不同输出镜并调节腔镜产生1064nm的红外光。
测试不同LD电流下的激光输出功率；根据实验数据和曲线，计算两种耦合输出下的激光斜效率和光光转换效率，并作简要分析。
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。
半导体激光器光电特性的研究_图文(精)
ｊＩＪｌ！ｌｐＪ／ＩＪＩ，ＬＰＪ／ＪｒＩＪｉｌｊ＇ｒ／，＇ＪｒＪｔＪｌＩＪｉｊｌｌｌｒｌＩＪＩ｝Ｙ１５３２０２３天津大学博士学位论文半导体激光器光电特性的研究ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＩＣＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＲＥＳＥＡＲＣＨＯＦＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＬＡＳＥＲＳ（申请工学博士学位）指导教师：姜星丞教援王叠达夔握天津大学理学院现代材料物理研究所２００７年１０月摘要摘要半导体激光器是目前应用最广泛的器件之一，其电学和光学特性一直倍受关注。
然而，一直以来都缺乏表征激光器电学特性的精确方法。
本文采用自建的正向交流小信号结合直流１．Ｖ特性的新方法对半导体激光器的电学特性进行了精确表征。
首次发现多量子阱激光器的电特性在激射阕值处都会发生突变，特别是结电压，并不像原先想象的在阈值处立即达到饱和，而是发生可观的跳跃后达到饱和。
这种不连续是传统激光器理论难以解释的，应属激光物理学的重要进展，它实际表现为远离平衡态相变对应的对称破缺。
与此同时，串联电阻和理想化因子在阈值处也分别表现出明显的下沉和上跳，串联电阻和理想化因子也并非传统理论所认为的常数，而是随电流变化，小电流下这种非线性变化关系尤为明显。
为了对比不同类型半导体器件的电学特性，作者对文献报道的Ａ１。
Ｇａｌ。
；Ａｓ．ＧａＡｓ条形双异质结激光二极管和不同来源的发光二极管的电学特性做了深入研究，研究结果表明：１）双异质结激光器的各电学参量在阈值处也都表现出明显的不连续，其结果完全类似于测量的量子阱激光器；２）发光二极管的各电学参量并没有表现出突变，这说明激射发光是导致激光器电学特性在阈值处表现出不连续的原因，同时还观察到了发光二极管结电压的完全饱和、理想化因子和串联电阻的菲线性。
通过以上研究，作者还给出了最简便和精确地确定半导体激光器阈值的新方法和发展了发光二极管的电学特性评价方法。
目前，我们对激光器阈值附近物理特性的不连续在理论上作了深入地研究。
首先，在对其合理性和自恰性分析后，作者认为激光器阈值附近物理特性的突变是激光器激射发光的～个必然结果。
半导体激光器的模式及特性
伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质，通常用V-I曲线表示。
4.2.6 半导体激光器的基本特性
2. P-I 特性
P-I 特 性 揭 示 了 LD 输 出 光 功 率 与注入电流之 间变化规律， 是 LD 最 重 要 的 特性之一。
4.2.6 半导体激光器的基本特性
3.激光器效率 (a) 功率效率
I/mA
P/mW P/mW
1.3 1~2
1.55 1~3
阀值电流 Ith/mA 工作电流
输出功率 入纤功率
20~30
30~60 100~150 100~150
1~3 0.1~0.2 30~100 30×120
5~10 1~3
5~10 1~3
1~5 0.1~0.3 50~150 30×120
调制带宽 B/MHz 辐射角 寿命 t/h
时挤压度较大，增加断边、边跳花等疵点。
• 梭子不易打到头，造成下次投梭力不足而轧梭。
• 梭子速度太低，纬纱张力不足，造成无故纬停，
甚至梭子碰撞纬纱叉。
（2）投梭力过大 • 梭子出梭口时间早，出梭口时挤压度小，断 边、跳花等疵点较少。 • 增加动力和机物料的消耗，增加织机的振动 和噪声，投梭机构容易因部件松动和损坏而 出现故障。 • 梭子回跳量增加，造成下一次投梭力不足而 轧梭。若制梭力也较大，则梭子进梭箱时易 产生脱纬和纬崩。 粗特纬纱和直接纬更容易发生脱纬和纬崩。
o o 0 40 80 角度 垂直于结平面方向
o 10 TEM 00 S ~m W ~m
40
o
o
40
o
20
o
0 角度
20
o
40
o
激光器的近场图案和远场光斑
半导体激光器的研究
半导体激光器的研究半导体激光器是近年来应用非常广泛的一种激光器。
在本实验中我们将对半导体激光器的主要发光器件——激光二极管（LD）进行全面的实验研究。
【实验内容】1．激光二极管（LD）的伏安特性测量。
2．LD的发光强度与电流的关系曲线测量。
3*．LD发光光谱分布测量。
4*．LD发光偏振特性分析。
【实验仪器】激光二极管，电压表，电流表，激光功率计，分光计，格兰—泰勒棱镜等阅读材料半导体激光器件按照半导体器件功能的基本结构可分为：注入复合发光，即电—光转换；光引起电动势效应，即光—电变换。
这里主要讨论前者。
半导体激光光源是半导体激光器发射的激光。
它是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器，亦称激光二极管，英文缩写为LD。
与其相对应的非相干发光二极管，英文缩写为LED。
它具有工作电压低、体积小、效率高、寿命长、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。
可采用简单的电流注入方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成；并且还可用高达吉赫(109 Hz)的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。
由于这些优点，LD在激光通信、光纤通信、光存储、光陀螺、激光打印、光盘录放、测距、制导、引信以及光雷达等方面已经获得了广泛应用，大功率LD 可用于医疗、加工和作为固体激光器的泵浦源等。
半导体激光器自1962年问世以来，发展极为迅速。
特别是进入20世纪80年代，借用微电子学制作技术(称为外延技术)，现已大量生产半导体激光器。
以半导体LD条和LD堆为代表的高功率半导体激光器品种繁多，应有尽有。
1 概述1）半导体激光器的分类从半导体激光器的发射的激光看，可分为半导体结型二极管注入式激光器和垂直腔表面发射半导体激光器两种类型；而从结型看，又可分为同质结和异质结两类；从制造工艺看，又可为一般半导体激光器、分布反馈式半导体激光器和量子阱半导体激光器激光器；另外，为了提高半导体激光器的输出功率，增大有源区，将其做成列阵式，又可分为单元列阵、一维线列阵、二维面阵等。
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山西大学物理电子工程学院实验论文半导体激光器稳频系统的动态特性研究学院：物理电子工程学院专业：光信息科学与技术导师：王彦华姓名：杜小娇任思宇学号：2013274002 20132740半导体激光器稳频系统的动态特性研究摘要：本实验在现代社会中自动控制系统技术的启发下，考虑到目前激光技术的发展前景广阔，应用也比较广泛，决定将用类似的方法研究激光器稳频系统的动态特性。
在闭环系统中通过不同干扰信号的扰动，观察整个系统的响应，最终得到传递函数，进而分析出该系统的幅频和相频特性。
关键字：激光器稳频系统干扰信号传递函数幅频特性相频特性（一）引言提高激光器系统稳定性在激光技术、超精密加工、测量设备量子信息等诸多科技前沿领域有着举足轻重的地位。
影响激光系统稳定性的因素有很多，例如激光器、气压、震动等。
如果激光器系统的稳定性提高到十几个小时乃至更高，那么对于恶劣环境的干扰就可以得以消除，更有利于实验的进行。
对于激光器稳定性的研究更显得尤为重要，在激光器输出功率稳定性[1-2]的系统中，都实现了激光器输出功率的长期稳定性。
在山西大学[3-6]也有很多实验需要建立在稳定系统来进一步发展。
二阶闭环系统稳定的研究过程中针对信号及信号处理[7-8]已经有了较为成熟的一系列体系。
因此，结合自动控制理论研究激光器系统及其动态响应，以实验结果为依据，对特定环境下激光器的结构设计的优化以及环路的参数的确定和调试，进行数学建模，从而提供更科学的处理方案，并给出一些的针对性的建议是非常重要的研究工作。
（二）实验原理2.1半导体激光器（ECDL）激光器的种类很多，分类的依据也有很多。
其中根据其增益介质的不同可分为气体激光器、固体激光器、光纤激光器、染料激光器以及半导体激光器。
半导体激光器因其结构紧凑、操作简单、便于集成、价格低廉、功耗低、工作波长范围大等优点而被广泛应用于冷原子物理、量子操控等前沿研究和高分辨率光谱，高精度测量很多技术领域。
因此实验中将对半导体激光器稳定性进行了研究与分析。
我们在实验中为了更好控制半导体中发光二极管发出的光经谐振腔不断放大后发射出激光的不同模式，采用了光栅反馈式选模。
光栅对激光有色散的作用，进而不同波长的波可以清楚辨别，通过调节光栅的角度，进而可以实现不同频率的激光反馈回激光器中。
图1半导体激光器实物图图2半导体激光器设计图2.2饱和吸收谱稳频系统ECDL激光器可通过扫描注入电流或改变光栅角度实现连续调谐。
实验过程可以表述为：在激光器恒流源的调制端口加一扫描信号，通过让激光器电流在某一范围内连续扫描，进而实现激光器的连续可调谐。
同样，ECDL激光器在工作时，也可以通过调节光栅角度来改变激光器的外腔腔长。
光栅角度的改变依赖在压电陶瓷两端的电压的大小改变PZT的伸长缩短实现的。
该电压由高压放大器来提供。
因此，可以给高压放大器上加一扫描信号来实现对激光器的调谐。
饱和吸收稳频（SAS）法是选择与激光器的波长相对应的原子的能级跃迁能级为频率标准，通过给激光器的恒流源上加调制信号，将带有调制频率的探测信号，通过鉴频器鉴别出来，与频率标准比较判断其频率是偏大还是偏小，采用闭环负反馈系统来补偿漂移量。
当前研究中主要采用的是对应于780.2nm的铷原子能级跃迁作为频率标准来稳定激光器的。
该波长对应于铷-85和铷-87原子的D2超精细能极跃迁如图3所示。
实验中将ECDL用SAS方法锁定在铷-87原子F=2到F'=2和3的交叉线即CO2-3上。
图3 Rb原子饱和吸收谱（三）ECDL稳态系统的动态特性研究动态特性是用来描述测量系统在动态测量过程中输出与输入的关系或是反映测量系统对于随时间变化的输入量的响应特性。
系统的动态特性的描述主要有微分方程、传递函数和频率响应。
微分方程是系统的输出与输入在时域上的关系，但它的求解运算较为复杂；传递函数是根据系统在时域上的动态特性，运用拉氏变换得到的系统在复频域上的动态特性。
线性系统的传递函数的定义为：在初始条件为零的情况下，响应函数的输出量的拉普拉斯变换与输入驱动函数的拉普拉斯变换的比值，传递函数属于系统本身的属性，根据得到的传递函数导出系统的频率特性，利用这些频率特性与系统参数的关系对系统进行识别；而频率响应是系统在频域上的输出与输入的比值，即频率由低到高无数个正弦波输入与对应的系统输出的稳态响应。
研究系统动态特性还可以采用阶跃信号、冲击信号或斜坡信号的办法。
这里实验上主要采用的是频率响应的方法来进行激光器稳频系统的动态响应分析的。
3.1传递函数传递函数是系统输入信号的Laplace 变换与输出信号的Laplace 变换之间关系的数学表示。
传递函数是描述线性系统动态特性的基本数学工具之一，频域法分析系统都是以传递函数为基础的，可以说传递函数是经典控制理论中最基本最重要的概念。
传递函数的表达式为：a s a s ab s b s n n nn m m m ms X s Y s H 01-1-01-1-b )()()(+⋯+++⋯++==传递函数分母中ｓ的最高阶为测量系统数出量最高阶导数，若最高阶为ｎ，则该系统为ｎ阶测量系统。
常见的测量系统大部分为零阶、一阶和二阶系统。
高阶系统一定条件下可由低阶系统组合逼近，但零阶、一阶系统为非常简单的响应系统，实际生活中很少系统的响应能够符合，所以我们研究二阶系统。
系统又有开环系统和闭环系统之分。
开环指系统输出量对系统的控制作用没有影响控制信号只有顺向没有反馈。
开环系统的结构简单、控制方法简单所以抗干扰能力差，控制精度完全取决于系统各组成环节的精度。
闭环系统是指输出量对输入量有直接影响，而且具有反馈环路。
不论外界干扰还是系统内部参数引起的被控量的偏离，都能产生控制作用来减少或者消除偏差提高精度。
图4 闭环系统 图5 开环系统 )(s G C （s ） _R （s ） )(s G C （s ）_R （s ）3.2 频率特性二阶闭合环路的频率特性为：)()(()()(1)()(1)()()()(ωαωϕωϕωωωωωωωωj j j e M eA e A j G j G j R j C j =+=+==Φ 由此可以看出，表征频率特性可以由幅度与频率的关系简称幅频特性）（ωA 和相位与频率的关系简称相频特性描述。
二阶闭环系统的频率特性：ωωωωζωωφ222)(2)()(n n n j j j ++=其中 ζωω221-=n r ζζ2121-=Mm ζ:阻尼比一个典型的二阶闭环幅频曲线如图6所示。
衡量系统性能的闭环频率指标如下：)0(M :零频振幅 反应系统的稳态精度M r :谐振峰值 M r 越大表示振荡越剧烈ωr :谐振频率 反应系统动态反应速度ωb ：截止频率 对应于0.707)0(MBW :频带宽度 反应系统对噪声的滤波特性和 响应速度 图6 二阶闭环幅频曲线ζ ：阻尼系数 工程上推荐0.6~0.8，太大或太小会影响系统响应速度3.3系统的动态特性实验装置图如下：图7 实验装置图实验装置主要分成两部分：稳频系统和测量系统。
在前文稳频系统的基础上由饱和谱光路探测输出的已经调制的饱和吸收光谱输入到锁相放大器的signal in端，在锁相放大器中饱和谱又经过正弦信号的调制后，调制信号与饱和谱透射的信号作乘机后通过低通滤波器便得到了一阶微分信号（误差信号），当然如果三阶微分时，会使得稳频的频率更加精细。
控制器PID通过对误差信号的偏移量计算频率漂移补偿所需的电压或电流，从而使激光器频率的输出逼近实验上需要的频率。
实验中是在周期性阶跃信号下研究系统的动态响应。
最终由相敏检波得到的频率起伏的输出信号与扰动输入信号的比值即为整个环路的增益。
输入信号和输出信号以及FFT变换后的信号如图8、9。
图8输入信号和输出信号图9 FFT变换后信号图实验处理后所得幅频特性如图10、图11：图10 幅频特性图图11 幅频特性图注：红色和粉色都对应于左边的坐标由图可以得出谐振频率为：360Hz 截止频率为：1400Hz可以得出该稳频系统在360Hz时系统会发生振荡，该频率下系统无法正常工作；当频率超过截止频率1400Hz的时候，稳频系统对外界干扰便不会再响应。
（四）总结本次实验中我们已经熟练掌握了饱和谱稳频系统的原理与操作，并且能够快速实现一阶或者三阶稳频。
其次我们对表征动态特性的传递函数、频率响应等方法已经掌握，对整个系统的动态特性初步有了了解。
但是我们仍然有很多需要继续改进的地方，因为我们的实验结果中对于描述稳频系统的参数并没有确定，因而对应的传递函数也就无法确定，所以我们需要继续优化实验系统中实验仪器的参数。
再者，还需要输入不同的信号研究系统特性，比如正弦信号等，这样可以更准确的得到系统的传递函数用来表征系统稳定程度。
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