1、 其中，为吸收系数，L为腔长，R和R2为腔端面的反射系数。上式右边第一项 为半导体内部的光吸收引起的损耗，上式右边的第二项为端面透射损耗，它是光 波从端面透射出半导体外引起的端面损耗。由（1）和（2）式可得激光器的阈值电流密度为：J；丿G 丄1 n丄）2L RR2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。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，会出现从自发辐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，在光功率一激励电流 （P-I）曲线上可以观察到注入电流达到并超出阈值电流后， 输出功
2、率陡峭上升。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 Ith3、横模特性光源的光束分布在光通讯中直接影响到光耦合到光纤中去的技术选择， 并决定耦合效率，因此，研究光束的空间分布具有重要意义。 人们通常将半导体激光 器输出的光场分布用近场和远场特性来描述。 近场分布是指光强在解理面上的分 布，它往往和激光器的侧向模式联系在一起。 远场特性是指距输出腔面一定距离 的光束在空间的分布，它常常与光束的发散角的大小联系在一起。由于半导体激光器的谐振腔具有介质波导的结构， 因此在谐振腔中传播光以模的形式存在。沿谐振腔轴向的光强分布是纵模，垂直于该方向的分布是横模。 横模经端面出射后形成辐射
3、场，其分布沿平行于结面方向和垂直于结面方向分别 称为侧横场和正横场。则发散角在两个方向上分别为平行于 pn结的发散角二和 垂直于pn结的发散角二-，其大小定义为两个半功率强度点处的全角宽。图 2是一个半导体激光器的典型远场辐射图。图2半导体激光器远场辐射图通常的半导体激光器发出的是一束椭圆形的光束，原因是辐射场的角分布 和谐振腔的几何尺寸密切相关。谐振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大。半导 体激光器的谐振腔相当于一个矩形波导腔， 其垂直于结平面方向的厚度小于平行 于结平面方向的宽度，故正横场的发散角 二-要大于侧横场的发散角二，如图 3所示。半导体激光器由于有源层模截面的不对称和很小的线度，其
4、远场光斑既不对称，又具有很大的光束发散角，这是因其发射区域小，引起了衍射效应所致。侧横场发散角可近似表示为：/d，d表示共振腔宽度。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，所以其远场发散角远远大于气体激光器和固体激光器的远场发散角发散角图3半导体激光器的发散角半导体激光器谐振腔面一般是晶体的解理面，对常用的 GaA异质结激光器， GaA晶面对TE莫的反射率大于对TM模的反射率。因而TE莫需要的阈值增益低，TE 模首先产生受激发射，反过来又抑制了 TM莫；另一方面形成半导体激光器谐振腔 的波导层一般都很薄，这一层越薄对偏振方向垂直于波导层的 TM 莫吸收越大。
5、这 就使得TE模增益大，更容易产生受激发射。因此半导体激光器输出的激光偏振度 很高。偏振度计算公式为：I -1p = min . 90% Imax - I min4、纵模特性激光二极管端面部分反射的光反馈导致建立单个或多个纵光学模。 由于它类 似于法布里一珀罗干涉仪的平行镜面，激光器的端面也常称为法布里 一一珀罗 面。当平行面之间为半波长的整数倍时，在激光器内形成驻波。模数 m可由波长 的数值得出。2Lnm 一0 。是发射在真空中的式中，L是两端面之间的距离，n是激光器材料的折射率,波长，模的间隔由dm/dy确定:对应dm = 1,模的间隔do为:2半导体激光器光谱如图4所示，通常同时存在几个
6、纵模，其波长接近自发辐 射峰值波长。当工作电流小于阈值电流之前，发射的光谱较宽，光谱中包含许多个纵模。随着驱动电流的增加，谐振腔的选模作用增强，发射光谱变窄。电流达到阈值电流时，激光管开始受激辐射，发出激光，光谱图明显变窄。 GaA激光器的纵模间隔的典型值为do 3A 为了实现单模工作，必须改进激光器的结构, 抑制主模以外的所有其它模。图4超过阈值电流时的发射光谱三、实验仪器半导体激光器及可调电源，多功能光学升降台，旋转台，可旋转偏振片，光 功率指示仪及接收器，WGD-6光学多道分析器1. WGD-6型光学多道分析器基本原理WGD-6型光学多道分析器，由光栅单色仪， CCD接收单元，扫描系统，
7、电子 放大器，A/D采集单元，计算机组成。光学系统采用 C T型，如图5所示。S1I IS3图5光学原理图M1:反射镜、M2:准光镜、M3:物镜、M4:转镜、G:平面衍射光栅、S1:入射狭缝、S2: CCD接收位置、S3:观察窗（或出射狭缝）入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0-2mm连续可调，光源发出的 光束进入入射狭缝S1, S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束 经M2反射成平行光束投向平面光栅 G上，衍射后的平行光束经物镜 M3成像在 S2上。2. WGD-6型光学多道分析器的使用（1）接通电源前，认真检查接线是否正确。（2）转换开关检查转换开关的位置，确认是否是工作
8、位置，若 CCD接收，请将扳手放在“ CCD ”档；若观察谱线，可将旋钮指示停在“观察”档。（3）入射狭缝S1的调整狭缝为直狭缝，宽度范围02mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大， 反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。为延长使用寿命，调节时注意最大 不超过2mm，不使用时，狭缝最好开到 0.10.5mm左右。四、软件指南（由于纸面灰度无法显示软件彩图颜色，请对照计算机阅读 软件使用指南）4.1工作界面介绍进入系统后，马上显示工作界面，同时弹出一个对话框让用户确认是否重新 初始化。如果选择“是”，则初始化波长位置回到300nm处；如果选择“否”， 则确认当前的波长位置，并进行初始化。工
9、作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设置区以及存储器信息提示区等组成，如图图6工作界面-J1- D 1 3M E 迢嵐有式手动后退手动IH进聯动间距氓 1 ixitt点： :中心張览万武4.1.1菜单栏下面简单介绍菜单栏中各菜单的功能：1.“文件”菜单新建 清除当前实验的所有数据打开打开一个已经存在的数据文件 保存 把所选择的存储器中的数据保存到文件中 打印设置 设置打印机的属性及打印参数 打印预览 显示打印时文件的外观 打印 打印当前的谱线及数据 退出 退出WGD 6控制处理系统2.“信息”菜单信息输入输入采集环境及其它信息网格显示网格坐标显示中心波长位置 在显示的坐
10、标系统上显示中心位置3.“运行”菜单实时采集 在当前位置循环采集数据并显示 三维显示 采集当前的谱线，并在三维坐标中显示 模拟照相 模拟摄谱仪，把底片效果显示在屏幕上 停止 停止实时采集手动前进 波长向长波方向移动指定的间隔 手动后退 波长向短波方向移动指定的间隔 背景记忆 清除背景记忆 检索 重新初始化4.“数据处理”菜单读取谱线数据 读取指定谱线上各点的数据 读取坐标点数据 读取坐标面上各位置的坐标 扩展 对谱线进行局部放大 取消所有扩展 取消本次实验的所有扩展 手动定标 使用标准谱标定波长 自动定标 使用定标公式进行定标 通道 /波长转换 通道 /波长两种显示方式中变换 寻峰 检索峰、谷
11、的位置 显示峰谷 在谱线上标记峰谷的标志 显示峰谷数据 显示谱线上峰谷对应的信息 显示方式 选择显示峰谷信息的方式 平滑 平滑选定的谱线 计算 对设置的谱线进行计算 显示 根据设置显示谱线 清除数据 清除选定的数据 刷新 刷新屏幕5.“数据图形处理”菜单波长修正 修正波长光栅 根据所使用的光栅，选择相应的光栅参数4.1.2工具栏软件提供了两个工具栏， 每个工具栏由一组工具按钮组成， 分别对应某些菜 单项或菜单命令的功能， 用户只需用鼠标左键单击按钮， 即可执行相应的操作或 功能。4.1.3工作区 工作区是用户绘制、浏览、编辑谱线的区域。工作区可同时显示多条谱线。4.1.4状态栏状态栏用于反映当
12、前的工作状态。 另外，当定点设备指向某一菜单项或按钮 时，会在状态栏显示相应的功能说明。4.1.5参数设置区设置工作方式、工作范围及工作状态等参数。4.1.6存储器信息提示区显示各存储器的信息。4.1.7存储器选择及波长显示栏选择当前存储器，显示当前中心波长位置。4.2功能简介4.2.1设置工作参数曝光时间一设置采集谱线的积分时间（1 88挡可设） 平均次数一对谱线数据进行平均的次数（1 10次）累加次数一对谱线进行多次采集进行累加的次数（1 10次） 最大值f坐标显示的最大数值最小值-坐标显示的最小数值4.2.2存储器信息在存储器信息显示区中显示了各存储器的主要信息：存储器：下面的R-1、R
13、-2.分别代表10个不同的存 储器。颜色：点击颜色框可以改变相应存储器的画线颜色数据：可以清除相应存储器中的数据显示：“改变相应存储器中的谱线显示属性（显示或不显示）4.2.3当前存储器“当前存储器”下拉列表框可选择当前工作存储器。其右侧的按钮用来改变存储器的环境信息。系统时刻监测波长位置的移动，并在“中心波长”提示框中 显示当前中心波长位置。工作存储器谙銭名称中右波底方式存鯛-1无TI| 300.00rm逋道方式手立后退手动前进移动间距|：C.3Qiim 二杲丈值点：450数值：54.6图8当前存储器4.2.4信息及视图管理4.2.4.1米集信息下拉菜单：信息一信息输入“工作存储器”列表框右
14、侧的按钮“ 一执行该命令后，系统弹出如图9所示的“环境信息”对话框环境信息存储器选择1存储器谱线容称:1确定i图9环境信息用户在“存储器”下拉列表框中选择某一存储器，向“谱线名称”编辑框中 输入相应的信息。然后，单击“确定”按钮即可将信息保留。此时，工作区上方 的“存储器”下拉列表框中将显示已输入的信息。单击该列表框右侧的按钮，可 对已输入的信息进行修改。4.242网格信息/视图一显示网格工具栏：辅工具栏一 旦执行该命令后，工作区将显示网格坐标，网格的宽度和高度将随横、纵坐标 范围的变化而自动调整（网格线总是落在相应的整值点上）。再次操作将取消网格坐标。4.2.4.3显示中心波长位置信息显示中
15、心波长辅工具栏一 创当选择该项时，在谱线上数据点处，画出一个圆作为标志。 再次操作将取消加强显示。4.2.5运行4.2.5.1实时采集工作一实时采集主工具栏一实时执行该命令后，系统将循环采集数据并显示，把数据存到工作存储器中。如 果该存储器中已经有数据，系统会提示是否覆盖该数据。4.2.5.2三维显示工作三维显示主工具栏三维执行该命令后，系统弹出如图10所示的对话框。通过设置参数后，点击“开 始”按钮进行三维采集。在采集的过程中，点击“停止”按钮，将终止三维采集。点击“关闭”按钮，关闭三维显示窗口。 时间间隔：设置采集两次之间的时间间隔； 采集次数：设置采集多少次数据组成三维图图10 三维显示
16、425.3停止工作一停止主工具栏停止 系统在扫描过程中，执行该命令，则中止扫描。4.2.5.4手动前进工作手动前进工作寄存器区：“手动前进”按钮执行该命令后，系统把当前的中心波长向长波方向移动设置的间隔4.2.5.5手动后退工作手动后退“手动后退”按钮执行该命令后，系统把当前的中心波长向短波方向移动设置的间隔425.6背景记忆工作背景记忆主工具栏背景执行该命令后，系统显示如图11所示的提示框。Z1谙关闭光源后点击确定，采集背豈.图11背景记忆提示框点击“确定”按钮，则测量背景并记忆（当软件关闭后将自动清除） 。425.7清除背景记忆工作一清除背景记忆主工具栏一清除执行该命令后，系统将清除存在的
17、背景数据。425.8检索工作检索主工具栏一检索执行该命令后，弹出如图12输入框。在编辑框中输入数值后，单击“确定” 按钮，系统将显示“正在检索”提示框。当提示框自动消失时，中心波长移至用 户所输入的位置。辖入图12检索425.9重新初始化工作重新初始化重新检测零级谱，把光栅精确定位到 300.0nm处；重新初始化参数五、实验内容和步骤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650nn左右。1、半导体激光器的输出特性实验光路如图13所示,调节功率计的零点，将激光束垂直照射在光功率计探 测器光敏面的中心位置附近，用光功率指示仪读出半导体激光的输出功率。 改变
18、注入电流，从1mA或2mA开始测量，每隔1mA测量一次光功率，在阈值附近 每隔0.5mA测量一次光功率，直到20mA，将试验数据列表。以电流值为横坐标、 光功率值为纵坐标，在坐标纸上绘制出 P I关系曲线，曲线中出现拐点处所对应的电流值为阈值电流。650 LQ 光功滓探头图13半导体激光器的输出特性测试光路2、半导体激光器的发散角测定测量半导体激光器发散角的实验装置如图 14所示，去掉半导体激光器的准 直透镜，使光束发散，在远场看到椭圆形的激光光束。测量发散角的方法是将光 源固定，探测器绕着以光源为中心，以光源到探测器的距离为半径的圆旋转便可 测得各个方向的光束发散角。先测量正横场的发散角 ，
19、-，将半导体激光器置于 旋转台中心，并平行于旋转台面，光功率指示仪探头与半导体激光器 LD的距离一定。当注入电流一定时，记下旋转台处于不同角度时，光功率指示仪所测到的 输出值，做出输出值随角度变化的曲线，两个半功率强度点处的全角宽即为发散 角。再将半导体激光器旋转90测量侧横场发散角二 o650 LD 光功率探头图14测定半导体激光的发散角3、半导体激光器的偏振度测量测量半导体激光器的偏振度的装置如图 15所示，偏振器是带有角度读数的旋转偏振片，读出偏振片处于不同角度时，对应的半导体激光器的输出值，记下最大光强值1和最小光强值|_,并计算出其偏振度图15测量半导体激光器的偏振度4、半导体激光器
20、的光谱特性测试图16所示的是测量半导体激光器的光谱特性的光路装置。半导体激光器LD（650nm,v 5m辟的光信号通过透镜 L（f=15,忻14）耦合进 WGD-光学多道分析 器的输入狭缝，让光学多道分析器与计算机相连，从光栅单色仪输出的光信号通 过CC接收放大输出到计算机，通过控制软件的设置就绘出半导体激光器的谱线。CCD光学多道分析器图16半导体激光器的光谱特性测试六、 数据记录和处理1、 记录半导体激光器的输出功率随注入电流变化时电流和功率值，做出P I曲线，从曲线中标定出阈值电流；2、 做出正横场和侧横场的光功率随角度变化的曲线，从曲线中得出正横场 发散角二-和侧横场发散角二的大小。3
21、、 记录最大和最小光强处偏振片的角度和光强值，求出半导体激光器的偏 振度。4、 改变注入电流的大小，用 WGD-6光学多道分析器观测，半导体激光器 注入电流小于阈值时发射的荧光，和大于阈值电流产生激光振荡时谱线变化。七、 注意事项（1）实验过程中，实验者不可以直视激光束，以免眼睛受到损伤。（2）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，以防半导体激光器损坏。 使用完毕关闭时，先将电流调节旋钮逆时针旋转到底， 使输出电流最小（最小输 出电流大于OmA，切勿用力调节旋钮），再关闭电源开关。（3）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。八、 思考题1、 半导体激光器的输出功率与什么有关？2、 半导体激光器的输出波长与什么有关？
