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实验C 半导体激光器发射光谱测量 实验简介： 半导体激光器是以半导体材料作为工作物质的激光器，也是近年来发展得最快的激光器之一。1962年夏，通用电气实验室的Holonyak在温度为77K的条件下，实现时间短暂的注入受激辐射。当时的半导体激光器采用同质结结构，由于它在室温下的阈值电流密度高达104A/cm2量级，故只能在液氮温度下才能连续工作，因而是没有实用价值的。 随着半导体工艺的发展，后来出现了能在室温下进行脉冲工作的半导体激光器。1970 年研制成功的双异质结半导体激光器可在室温下连续工作，其阈值电流密度几乎降低了两个数量级。20 世纪70年代中期开始出现了一些高功率、具有不同特点、频率响应特性好、热稳定性好的单模激光器，如分布反馈(DFB)、分布布拉格反射(DBR)、解理耦合腔、双有源层和量子阱等结构的半导体激光器。其振荡波长已能覆盖从30μm的红外到0.32μm的紫外这样大的范围。 实验目的： 1、了解半导体激光器的基本原理及基本参数； 2、测量半导体激光器的输出特性和光谱特性； 3、了解外腔选模的机理，熟悉光栅外腔选模技术； 4、熟悉压窄谱线宽度的方法。 实验仪器： 650半导体激光器、激光功率计、MS9001B/B光谱仪、闪耀光栅、透镜、He—Ne激光器、470 型扫描干涉仪。 实验原理： （一）半导体激光器的辐射机理 从激光物理学中，我们知道产生激光的必要条件是粒子数反转，在半导体激光器中称作载流子数反转分布。正常条件下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才能填充到高能态的导带；而空穴则相反。如果用光注入或电注入的方法，使p-n结附近区域形成大量的非平衡载流子，即在小于复合寿命的时间内，电子可在导带，空穴可在价带分别达到平衡（如图1），那么在此注入区内，这些简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布，也称之为载流子反转分布。注入区称为载流子分布反转区或作用区。 结型半导体激光器通常用与p-n结平面相垂直的一对相互平行的自然解理面构成平面腔。在结型半导体激光器的作用区内，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。大部分光子一旦产生便穿出p-n结区，但也有一部分光子p-n结区平面内穿行，并行进相当长的距离，因而它们能激发产生许多同样的光子。这些光子在平行的镜面间不断地来回反射，每反射一次便得到进一步的放大。这样重复和发展，就使得受激辐射趋于占压倒的优势，即逐渐集中到垂直于反射面的方向上形成激光输出。 由于半导体激光器的激发是带—带激发，不象其它激光器是能级之间的受激辐射，因此，半导体激光器的增益曲线平缓。尽管腔长非常短，模间距较大，半导体激光器也能够输出多纵模，谱线宽度非常宽，可达几十nm。 （二）阈值电流 对于半导体激光二极管来说，当正向注入电流较低时，增益α G，此时半导体激光器只能发射荧光；随着电流的增大，注入的非平衡载流子增多，使增益接近损耗，尚未克服损耗，在腔内无法建立起一定模式的振荡，这种情况被称为超辐射；当注入电流增大到某一值时，增益将克服损耗，半导体激光器能输出激光，此时的注入电流值定义为阈值电流Ith。 半导体激光器输出光强与注入电流的关系如图2。当注入电流较低时，输出光强随注入电流缓慢上升。当注入电流达到并超出阈值电流后，输出光强陡峭上升。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Ith。 （三）谱线宽度压窄的机理和方法 在半导体激光器的诸多应用中，半导体激光器的线宽是一个非常重要的指标。目前通用的半导体激光器线宽在50～100MHz，这是在采用稳流和温控等措施之后达到的。这些通用的激光器能够满足一般需要，但对于要求窄线宽光源的场合，如高分辨率激光光谱、激光冷却囚禁原子、新型量子频标等，这种激光器就不能满足要求了。特别是在现代光通讯中，谱线宽度越窄，则意味着传输的信道数目越多。为充分发挥半导体激光器的作用，就必须设法压窄线宽。 在半导体激光器工作时，腔内同时存在着受激辐射和自发辐射两种过程。自发辐射产生的光子的相位随机分布将形成激光场的本征线宽?ν0（谱线的半高宽）为： 式中P为该模式的光功率，?νc为有源腔的线宽，它由下式确定： 式中τc为光在有源腔内往返一周的时间，l为腔长，a为损耗。由式（1）和（2）可以看出激光功率越大，腔长越长则激光的本征线宽越窄。 自发辐射不但引起相位的变化，而且还能引起光场强度的起伏。光场强度变化引起载流子密度的变化，从而导致介质折射率实部n’和虚部n’’的变化。其实部变化?n’表征了因载流子密度的变化所导致的介质增益的变化；而虚部的变化?n’’表征了载流子密度的变化引起的光场相位的变化。令 则半导体激光器的线宽?νL=?ν0（1+a2），可见光