半导体激光器光源发散角测试

半导体激光器光源发散角测试实验

1. 实验目的

①通过实验熟悉半导体激光器的光学特性。

②了解半导体激光器准直光路的调节。

③根据半导体激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。

2. 实验原理

2.1 半导体激光器的基本结构

半导体激光器大多数用的是GaAs或Ga1-x Al x As材料，p-n结激光器的基本结构如图1所示。p-n结通常在n型衬底上生长p型层而形成。在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过,这电流使结区附近的有源区内产生粒子数反转，还需要制成两个平行的端面起镜面作用，为形成激光模提供必须的光反馈。图1中的器件是分立的激光器结构，它可以与光纤传输线连接，如果设计成更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光路。

图1. 半导体激光器的结构

2.2 半导体激光器的阈值条件

当半导体激光器加正向偏置并导通时，器件不会立即出现激光振荡。小电流时发射光大都来自自发辐射，光谱线宽在数百唉数量级。随着激励电流的增大，结区大量粒子数反转，发射更多的光子。当电流超过阈值时，会出现从非受激发射到受激发射的突变。实际上能够观察到超过阈值电流时激光的突然发生，只要观察在光功率对激励电流曲线

上斜率的急速突变，如图2所示；这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的缘故。从定量分析，激光的阈值对应于：由受激发射所增加的激光模光子数(每秒)正好等于由散射、吸收激光器的发射所损耗的光子数（每秒）。据此，可将阈值电流作为各种材料和结构参数的函数导出一个表达式：

)]1(121[8202R n a D en J Q th +∆=

ληγπ

这里，Q η是内量子效率，O λ是发射光的真空波长，n 是折射率，γ∆是自发辐射线宽，e 是电子电荷，D 是光发射层的厚度，α是行波的损耗系数，L 是腔长，R 为功率反射系数。

2.3 横模

半导体激光器的共振腔具有介质波导的结构，所以在共振腔中传播光以模的形式存在。每个模都由自己的传播常数m β和横向电场分布，这些模就构成了半导体激光器中的横模。横膜经端面出射后形成辐射场。辐射场的角分布沿平行于结面方向和垂直于结面方向分别成为侧横场和正横场。

辐射场的角分布和共振腔的几何尺寸密切相关，共振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大。由于共振腔平行于结平面方向的宽度大于垂直于结平面方向的厚度。所以侧横场小于正横场发散角，如图3所示；侧横场发散角可近似表示为:d /λθ≈，d 表示共振腔宽度。共振腔厚度通常只有m μ1左右，和波长同量级，所以正横场发射角较大，一般

为30°～40°。辐射场的发散角还和共振腔长度成反比，而半导体激光器共振腔一般只有几百微米，所以其远场发射角远远大于气体激光器和晶体激光器的远场发射角。

图3 半导体激光器的发散角

3．实验仪器

半导体激光器及可调电源：中心波长650nm，＜5mW，电流0～40mA连续可调

WGD-6光学多道分析器：光栅600L/mm，f=302.5mm

可旋转偏振片：最小刻度值1°

旋转台：0～360°，最小刻度值1°

多功能光学升降台：升降范围>40mm

光功率指示仪：2μW～200mW，6挡

4．实验步骤和内容

实验中所使用的半导体激光器是可见光半导体激光器，最大功率为3mw, 中心波长为650nm左右。

测定半导体激光发散角的试验装置如图4所示；半导体激光器置于旋转台中心，去掉准直透镜，使半导体激光器的光发散，并平行与旋转台面。光功率指示仪探头与半导体激光器LD的距离为L，当旋转台处于不同角度时，记下光功率指示仪所测到的输出值，做出在不同的注入半导体激光器电流时，其输出值随角度变化的曲线。将半导体激光器旋转90°再测量侧横场发散角。

图4 发散角测量

5. 半导体激光器使用注意事项

半导体激光器不能承受电流或电压的突变。若使用不当容易损坏。当电路接通时，半导体激光器的注入电流必须缓慢地上升，不要超过65mA，以防半导体激光器损坏。使用完毕，必须将半导体激光器的注入电流降回零。

静电感应对半导体激光器也有影响。如果需要用手触摸半导体激光器外壳或电极时，手必须事先触摸金属一下。

思考题：

为什么半导体激光器的光源具有小的发散角？