半导体激光器的安全使用操作

实验一半导体激光器的安全使用操作一、实验目的

∙熟悉半导体激光器的一般常识。

∙掌握半导体激光器的安全使用及操作。

∙熟悉半导体激光器波导腔的特性及输出偏振特性。

∙了解PN结平面及快慢轴方向的分辨。

∙熟悉半导体激光器的出厂技术参数。

二. 半导体激光器原理及常识介绍

2.1运行机理

对于典型的双异质结半导体器激光器是靠PN结正向注入和载流子的复合发光的，要使它发射激光需具备的条件是：①粒子数反转分布；②有合适的光谐振腔起反馈作用；③满足一定的阀值条件。对于条件①一般是采用简并的P型和N型半导体构成PN结，大量的载流子注入PN结区，成为反转分布区。对于条件②结型半导体激光器的光谐振腔通常用与PN 结平面相垂直的自然解理面构成的平面腔。在作用区内，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，大部分光子一产生便穿出PN结区，但也有一部分光子在PN结区平面内穿行，并且在PN结内行进相当长的距离，因而它们能够激发产生许多同样的光子。这些光子在两个平行的平面镜间不断地来回反射，每反射一次就得到进－步的放大。这样不断地重复和发展，就使得这种辐射趋于占压倒的优势，即辐射逐渐集中到平面镜上，而且方向垂直于反射面，形成激光输出。对于条件③半导体激光器的阀值电

流密度为（3-1）

其中、分别为增益因子与损耗因子；为谐振腔的长度，R1、R2为两腔镜的反射率。

2. 2波导腔的特性

半导体激光器其腔结构可看成是一波导腔，在垂直于P-N结平面方向（横向）一般为对称或非对称三层波导结构，为降低阈值，其有源层厚度仅为0.1～0.2 μm左右。根椐平板波导原理，在该波导中只允许基模传输，即其输出为基横模，输出偏振为TE，且发散角很

大。而在平行于P-N结平面方向（侧向），一般为增益导引结构，其输出模式称为侧模，空间分布往往非常复杂，输出多模振荡，并随着注入电流增加，振荡模数也增加。

2. 3制造常识

半导体激光器谐振腔最常用的是由垂至于P－N结的两个严格互相平行的（110）解理面构成F-P谐振腔，腔长一般为200 μm~500 μm。半导体材料的折射率都很高，如GaAs的折射率η＝3.6，两个解理面在不镀膜的情况下，也能获得32％的反射率。为了提高输出功率和降低工作电流，一般使其中的一个反射面上镀上全反膜，为改善性能，实际中往往采用多种形式的谐振腔，如短腔、分布反馈腔等。

图3-1所示的半导体激光器是把p－n结切成方块，焊上电极，长方形的侧面磨毛，其两断面是平行平面，形成F－P腔，这两个断面可以是磨制而成的，一般直接利用晶体的解理面。当施加于激光器的电流超过阈值时，便产生激光辐射，散热器用来降温，以使激光二极管输出稳定的光强和稳定的波长。这些早期的半导体激光器也称之为边缘发射半导体激光器(edge-emitting semiconductor laser)，因其狭窄的断面使得它的输出光束截面不是圆形的，而是椭圆形的，而且其发散角较大。

图3-1 半导体激光器结构示意图

由上图可以看出，由出射激光的光斑即可判断这种边缘发射半导体激光器的结平面方向。发散角较大的方向，如图上的Y方向，它与结平面方向垂直，又称为横向；而发散角较小的方向，如图上的X方向，为与结平面平行的方向，又称为侧向。

我们一般称发散角较大的方向为快轴方向，由于在该方向上是基横模振荡，因此我们把快轴又称为高相干轴。而发散角较小的方向则称为慢轴方向，由于在该方向上是多侧模振荡，因此我们把慢轴又称为低相干轴。

近几年利用集成电路技术，研制了一种所谓垂直腔表面发射半导体激光器（vertical cavity surface-emitting semiconductor laser简称VCSELs），克服了边缘发射半导体激

光器的缺点。它能够在同一块板上集成一百万只小激光器，其激发电流仅1mA，VCSELs的商品化将带来光电脑的革新，有助于实现人工智能；并将带来光纤通信联网的革新等。这种表面发射半导体激光器的重要特征之一，是从垂直于半导体薄片的方向发射激光，这样就使激光束的截面成为圆形，并且激光器的发散角减小了，从而克服了原来从半导体侧面发射激光的缺点。有兴趣的同学可参看半导体激光器方面的资料，本实验不涉及VCSEL激光器。

对于典型的双异质结边发射半导体器激光器，从输出功率来分，可分为LD(Laser Diode) 、LDA(Laser Diode Array) 、LD Bar(Laser Diode Bar)及LD Stack(Laser Diode Stack)。对单管LD，其发光面尺寸一般约为1 μm ´ 3 μm,由于腔内激光功率密度过高，可能造成腔镜膜层的破坏，因此其输出功率小于200 mW。因此，为了增加激光输出功率，只能增加

激光器的侧向长度，由此发展了LD Array, 其发光面尺寸一般可达到1 μm ´ 50 μm 至 1 μm ´ 700 μm, 功率可达到7 W。进而发展了LD Bar, 其发光面尺寸一般为1 μm ´ 1 cm,功率可达几十瓦。更大功率的半导体激光器则采用了一维及二维LD Stack,它是由多个LD Bar排列起来的，制造中考虑了器件的散热情况。

2. 4 半导体激光器的出厂技术参数

每只半导体激光器在出厂时都会附有一份出厂技术参数，基本包含以下内容：

产品系列的编号等内容，包括：Module；Serial No；Chip No。对应激光器的工作特性，包括：Po(最大输出功率)(W)；Ith(阈值电流)(A)；Io(最大工作电流)(A)；Vo(工作电压)(V)；Es(斜效率)(W/A)；Ep(量子效率)(%)；对应激光器的输出特性：中心波长0(nm)及光谱曲线；(慢轴发散角)(deg)（FWHM）；(快轴发散角)(deg)（FWHM）；测试条件：Tc(温度)()实验中所用的半导体激光器技术参数均可以从计算中查阅。首先在半导体激光器

电源的外壳上找到其相应的固定资产号码（此号码也能在LD的散热片上找到），然后在D:光电子学实验LD技术参数目录下打开文件“LD与固定资产号码对应表”，查到LD管子的Chip No.，再打开该管子号码相应的技术参数文件（.pdf文件）。

2. 5 安全使用及操作

2. 5. 1 半导体激光器

半导体激光器，由于它价格昂贵，操作麻烦，一不小心就会损坏，所以要千万小心。我们从以下几个方面要求大家了解半导体激光器的一般安全知识并遵守操作规程。