半导体激光器在物理中的应用(精)

本科生毕业论文
半导体激光器在物理实验中的应用
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2014年5月24日
摘要
本次论文简单介绍了半导体激光器的自身特点及发展历程，根据论文中介绍的全息照相实验，双棱镜实验，迈克尔逊干涉仪的各自实验原理，对比传统光源与半导体激光器的发光特点，在实验中引进半导体激光器对实验进行改进，得到了比传统光源更为期待的实验结果，且新光源的引入可以降低操作难度。

关键词：发光二极管；全息照相；双棱镜实验；迈克尔逊干涉；
Abstract
This paper recommend the peculiarity and of history laser, according to the described in the paper, compared to traditional light source and light emitting characteristics of semiconductor laser, the semiconductor laser is introduced in the experiment to improve the experiment, the more looking forward to the experimental results than traditional light sources, and the introduction of new light source can reduce the operation difficulty.
Keywords :ameliorate physical experiment; michelson interferometer
目
录第一章前言 (1)
1.1半导体激光器特点 (1)
1.2半导体激光器的发展 (1)
第二章实验部分 (2)
2.1半导体激光器运用于全息摄像 (2)
2.1.1半导体激光器输出光的特点 (2)
2.1.2高斯光束的矫正 (3)
2.1.3整形后的光束拍摄全息图..............................................................................................32.2双棱镜干涉实验. (5)
2.2.1取代传统钠光源 (5)
2.2.2实验装置 (5)
2.3迈克尔逊干涉仪实验 (6)
2.3.1简介迈克尔逊干涉仪实验 (6)
2.3.2实验及数据分析 (6)
第三章实验结果与讨论 (9)
3.1本次论文的总结 (9)
[参考文献] (10)
第一章
前言
1.1半导体激光器特点在物理光学实验中，光的干涉、衍射、偏振等实验由于其在光学发展中的重要地位，和经典的理论基础，一直都是教学的重点内容，氦氖激光器在传统的物理实验中占据着着主导地位，原因是在理论实验中我们对单色光的需求比较高，而它拥有比较好的单色性和较强的方向性等一系列的特性]1[，在实验中操作中可以视为点光源或是自然光，运用到光学实验当中。

但是由于氦氖激光器功率不稳定，调节繁琐，价格高等弊端的存在，又为实验操作增加了难度和不必要的麻烦。

时至今日，我们可以关注另一种典型的激光器——半导体激光器，相比之下，半导体激光器具有一些更为可观的优势：可协调性，灵敏度、选择性都比较高，方便调制波长，光谱纯度高，。

1.2半导体激光器的发展
1962世界上第一个半导体激光（激光二极管）是出世在世界上，因为它体积小，速度快，规格的调制效率相当低廉的价格优势，被认为是近代科学史上里程碑
式的发明。

半导体激光器最初是一个带有pn 结的二极管，在一定的激励条件下，可以产生激光]2[。

半导体激光器产生激光的基本要求有三个：（1）复合半导体p n -结区域
内的电子与空穴，为光增益创造条件。

（2）p n -结偏置，为载流子正向注入供应条件。

（3）供给反馈的部分是由两个垂直于结的端面构成的谐振腔]3[。

1970实现了9000Ǻ波长，而非均匀结构的双异质结GaAs GaAlAs -激光器，使可用的频带展宽。

后来经过对半导体激光器的开发和完善，获得了很多激励产生激光的方法，伴随着科学的进步，各种机制的激光器被不断的研发出来，后来的激光器很容易就达到了室温下连续工作的目的。

半导体激光器却带有一些让实验人员不得忽视的弊端：产生激光的性能受使用环境温度的影响很大，光束散发、张角较大，以上两方面在很大程度上影响了半导体激光器在单色性和方向性等方面的性能。

20世纪70年代，量子阱能带工程的引入与应用，电子能量将由经典的准连续分布转变为分立能级的量子化状态]3[。

上世纪90年代，伴随宽带隙GaN 基技术的不断成长完善，为半导体激光器的发展开辟了广阔的天地。

随着科学技术的革新，结合多种质结结构的开发，半导体激光器摆脱了只能在低温下运行的束缚，达到了室温下稳定连续使用的目的，从小功率型成功转型为大功率型，目前的激光器的光束质量已经有了大大的提高，可以达到很多项目
2的要求了。

第二章实验部分
2.1半导体激光器运用于全息摄像
2.1.1半导体激光器输出光的特点
共焦谐振腔是半导体激光器一般选用方式，是以选取如上装置所发射的光束是高斯光束，输出光束的强度分布为：平面波处在共焦面的位置范围上，球面波分布在其余空间上，且均为高斯分布]5[。

如图1所示。

图1高斯光束
根据高斯光束的特性，引入近场和远场描述激光束的空间分布，在光束束腰处光束截面图形为圆形，近场和远场的光束截面都是椭圆形，分布于圆形的两侧。

如图2所示，输出激光在镜子上的强度分布的定义是在近场，从反射表面定义的距离光强分布位置是远场]4[。

图2发射光束
32.1.2高斯光束的矫正
在全息照相实验中使用起来比较理想的光束可以猜想到应该是圆形的,因为圆形的几何面积小于椭圆形，所以圆形光入射在拍摄对象上单位面积才更有效的效率。

为了充分利用激光的相干性和高亮度,考虑利用有限折射来校正，校正光斑可以通过一定的方法压缩(或扩展一个方向的光斑,将椭圆光束校正。

由于半导体激光器的光输出椭圆偏振光，从而影响全息摄影效果，为了获得更清晰的全息图，物光和参考光应该是圆光束。

这里我们使用圆柱体的望远透镜长焦镜头来进行改变光束。

如图3所示，按照实验装置调整椭圆型的光束，安装两个棱镜是为了在实验中减少能量的损失。

棱镜可以在其中的任意一个方向上的输出光束做调整修正，能够有效的转化是实验中的关键。

]
5[图3输出光束的转化原理
2.1.3整形后的光束拍摄全息图
全息技术是光源发出的光在经过调整后经过反射、折射等物理过程最后到了实验在物体的表面上，两个路径上的光在底片上相遇，为全息拍摄提供环境。

图4调整后的全息照相图
物光经过平面镜与另一束光经过分束器的反射，然后通过平面镜，最后照射在
4
全息底片上的参考光相遇，它们相遇形成了干涉条纹，这里的重要条件是两者的相干性，表现在全息底片上，得到了全息图
]6[。

这种方法获得的全息图在当前的条件下肉眼是不能识别的。

此外，我们已经知道束腰处的输出光为圆形光束，所以如果我们如果能做到在实验中严格的控制光束，也不是必须要调整椭圆光束，一个实验计划便由此出现在了我们的眼前：将输出圆形的高斯光束入射到扩束镜，使入射光束的平行性尽可能高，进行实验，同样可以获得清晰的物体三维像。

在在本文中，省略了光束通过棱镜的步骤，可以有效地减少束流损失，拍摄出来的图像应该更清楚。

，图7是腰部位置的光束射图全息照像结果比较]6[。

图5拍摄的前后对比
图6全息照相原理图
图7输出光的圆形位置拍摄
5在全息照相的实验中，实验的时间控制也是占有很高的地位，就像普通拍摄是使用照相机一样，意义非凡，所以想要获得极致上的全息图，就要学会控制好实验的拍摄时间。

2.2双棱镜干涉实验
2.2.1取代传统钠光源
双棱镜干涉实验与双缝实验都为光的波动学说的建立奠定了实验基础，意义重大。

由于半导体激光器输出光的方向性好，在实验中可以使用下列方法为实验创造
便利：（1）调节激光器使光源略微发散；（2）选择一个合适的缝隙，大小为钠光源的合适大小作为标准]7[。

表1光束调节发散后的光强
由此可见，本次选择能提高实验精度，激光的方向性好，室内暗环境对实验的影响变小了，实验条件降低了。

2.2.2实验装置
这个实验装置与传统的双棱镜实验装置基本一致，所以只要在光源上稍作变化以适合于实验当中即可完成，如图8所示]7[。

图8实验装置示意图
为了确定激光的相干性更好一些，需要额外的实验仪器对两种光源测量比较，作为选择半导体激光器作为实验光源的理论基础，在这一测量过程中，我们绘制了两种光的曲线，如图9和图10所示。

6图
9传统光的曲线图图10新光源的曲线图
由此我们有理由相信，上述曲线为选择新光源提供了理论上的依据，所以对于这个实验，新光源选择的更为科学。

2.3迈克尔逊干涉仪实验
2.3.1简介迈克尔逊干涉仪实验
从平行束AB 的单色光的入射角度射出，入射光进入一个半透明的表面强度几乎两个反射光束强，一个在入射镜头之前，经过分光板1G 的3次而另一束仅穿过1次，为补偿光程差，放入2G ，这要求2G 与1G 的折射率相同，厚度相同，经过1M , 2M , 2' M 的反射后，在焦平面上会出现同心圆形的干涉条纹。

如图11]8[。

图11实验中的光路传播途径
2.3.2实验及数据分析
同上所述，这里仍然需要一个合适的方式来为新光源的选择做理论上的保证，所以需要测量两种光源的波长，画出波长分布曲线，对比分析，从而得出更能科学快捷进行实验的方法，如图12所示。

大庆师范学院本科毕业论文（设计）图 12 传统光与新光源的波长分布可见两种激光波长分布都很窄，经过数据读取得到，
，，，经过扩束后，半导体激光器在 1 米外的辐照度为机光器的 3 倍。

由此数据为依据可以对新光源的使用做参考。

图 13 传统光源干涉图图 14 新光源的干涉图选择新光源后，对实验装置做略微的调整，是新光源的引入在实验中能体现出它的优势所在，得出实验结果，见表 2 表 3 所示。

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大庆师范学院本科毕业论文（设计）表 2 传统光源的实验数据测量次数 1 2 3 4 5 6 d1 / mm 26.68424 26.69706 26.70983 26.72258 26.73538 26.74809 d 2 / cm
相对误差 /% 40 638.0 0.82 表 3 新光源改进实验的数据测量次数 1 2 3 4 5 6 d1 / mm 31.29698 31.31031 31.32352 31.36690 31.34706
相对误差 /% 40 665.0 0.76 为检验采用半导体激光器是否会引起明显的系统误差，波长标准值为，，，，
5 ，，对照置信度 99% 的表可知，新光源的使用在提供了方
便的操作 s 步骤和更为精细的实验结果的同时，还不会对系统造成影响，产生误差，可以认为新光源用于这个实验是成功的，本次对物理实验的改进是科学系统的 [ 9 ] 。

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大庆师范学院本科毕业论文（设计）第三章 3.1 本次论文的总结实验结果与讨论所有的光学实验中，光源占有最为重要的地位，没有了光就没有光学这一物理板块，是必不可少的常用装置，根据不同的实验内容，选择不用性质的光源，有意图的应用在各自的实验步骤之中，会对实验的结果造成更多的正面效应，得
到有效的实验数据和实验结论，为物理学的发展起到推动的作用，所以一个明显的实验结果是可以避免很多不必要的麻烦和不必要的劳心，简洁明了的实验结论才是所有物理实验所期望的。

没有其余因素影响的实验也更有可能提供最为正确的结论。

半导体激光器自从它的诞生以来，就因为其自身的原理与特质受到了广大科学研究者的喜爱，结合教学需要，这种光源进行了相关实验，并了解它们的光学特性及相关因素的影响，对半导体激光器的单色对实验目的的重要性的本质，并用于全息照相，双棱镜干涉实验，迈克尔逊干涉仪实验，都得到了所期望的实验结果，并且半导体激光器的应用还大大减少了实验中调节装置的时间，对物理实验有极大的帮助，减轻了教师在实验前的准备时间，节省了学生的调节步骤，带来了更好的实验效果。

特别要说明的是，有些光源在几个少有的实验上是不能应用的，不仅调节繁琐，过程漫长，重要的是却不能得出正确的实验结论，即便是在验证性的实验中也不能达到一个令人满意的效果。

但并不是这个光源就不能使用了，我们可以选择适合这种光源特质的实验对其加以运用，一定可以在得到期待结果的同时，又能充分利用实验室的教学资源，节省实验成本，拓宽实验者的思维。

如上所述，半导体激光器在如今已经可以在一些实验中运用，并且效果乐观，所以可以推测，在以后的实验中，由于半导体激光器的的发展完善，调节方便，价格便宜，使用快捷，且稳定性较好，会被越来越多的使用 [10 ] 。

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大庆师范学院本科毕业论文（设计） [参考文献] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] 王路威，半导体激光器的发展及其应用[J]，成都大学，61 李学千.半导体激光器的最新进展及其应用[J].长春光学精密机械学院学报,1997 孙晓明.半导体激光干涉理论及应用[M].北京:国防工业出版社,1998:58-60. 钟锡华.现代光学基础[M].北京:北京大学出版社,2003:285 田宇，乎文来，徐雪楠，半导体激光器拍摄全息图的研究[J]，燕山大学，2010 郭山河，田云霞，王志军，王连元，半导体激光光源光学性能的探讨[J]，吉林大学，130025 鲍丽莎蒋芸曹正东，双棱镜干涉实验装置的改进[J]，物理实验，同济大学,上海,200092 赵凯华.新概念物理教程光学[M]高等教育出版社,2004 姚启钧，光学教程第四版[M]，高等教育出版社2008 [10] 曾金，钱树森，罗定强，运用半导体激光的相干性测波长在物理实验教学中的应用[J]，川北医学院学报 10。