实验报告——半导体激光器输出光谱测量
半导体激光器实验报告
半导体激光器实验报告摘要：本文旨在通过对半导体激光器的实验研究，探索其基本原理、结构和性能，并分析实验结果。
通过实验，我们了解了激光器的工作原理、调制和控制技术以及其应用领域。
在实验过程中，我们测量了激光器的输出功率、光谱特性和波长调制特性等参数，并对实验结果进行了分析和讨论。
1.引言半导体激光器是一种利用半导体材料作为活性介质来产生激光的器件。
由于其小尺寸、高效率和低成本等优点，半导体激光器被广泛应用于通信、光存储、医学和科学研究等领域。
本实验旨在研究不同结构和参数的半导体激光器的性能差异，并通过实验数据验证理论模型。
2.实验原理2.1 半导体激光器的基本结构半导体激光器由活性层、波导结构和光学耦合结构组成。
活性层是激光器的关键部分，其中通过注入电流来激发电子和空穴复合形成激光。
波导结构用于限制光的传播方向，并提供反射面以形成光腔。
光学耦合结构用于引导激光光束从激光器中输出。
2.2 半导体激光器的工作原理半导体激光器利用注入电流激发活性层中的电子和空穴，使其发生复合并产生激光。
通过适当选择材料和结构参数，使波导结构中的光在垂直方向形成反射，从而形成光腔。
当光经过活性层时，激发的电子和空穴产生辐射跃迁，并在激光器中形成激光。
随着光的多次反射和放大，激光逐渐增强，最终从光学耦合结构中输出。
3.实验步骤3.1 实验器材本实验使用的主要器材有半导体激光器装置、电源、光功率计、多道光谱仪等。
3.2 实验过程首先，将半导体激光器装置与电源连接，并通过电源控制激光器的注入电流。
然后，使用光功率计测量激光器的输出功率，并记录相关数据。
接下来，使用多道光谱仪测量激光器的光谱特性，并记录各个波长的输出光功率。
最后，调节激光器的注入电流，并测量波长调制特性。
完成实验后，对实验数据进行分析和讨论。
4.实验结果与分析通过实验测量，我们得到了半导体激光器的输出功率、光谱特性和波长调制特性等数据，并对其进行了分析。
实验结果显示，随着注入电流的增加，激光器的输出功率呈现出递增趋势，但当电流达到一定值后，增长速度逐渐减慢。
半导体激光器实验报告
半导体激光器实验报告半导体激光器实验报告引言：半导体激光器是一种重要的光电子器件，具有广泛的应用领域，如通信、医疗、工业等。
本实验旨在通过搭建实验装置，研究半导体激光器的工作原理和性能特点，并探索其在光通信领域的应用。
实验一：激光器的工作原理激光器的工作原理是基于光放大和光反馈的原理。
在实验中，我们使用一台半导体激光器，通过电流注入激发半导体材料，产生光子。
这些光子在激光腔中来回反射，不断受到增益介质的放大，最终形成激光束。
实验装置中的关键组件包括半导体激光器、激光腔、准直器和光探测器。
半导体激光器通过电流注入，激发载流子跃迁，产生光子。
光子在激光腔中来回反射，经过准直器调整光束的方向，最后被光探测器接收。
实验二：激光器的性能特点在实验中，我们测试了激光器的输出功率、波长和光谱宽度等性能指标。
通过改变注入电流和温度等参数，我们研究了激光器的输出特性。
首先，我们测试了激光器的输出功率。
通过改变注入电流，我们观察到激光器输出功率随电流增加而增加的趋势。
然而，当电流达到一定值后，激光器的输出功率不再增加，甚至出现下降。
这是由于激光器的光子数饱和效应和损耗机制导致的。
其次，我们测量了激光器的波长。
通过调节激光腔的长度，我们观察到激光器的波长随腔长的变化而变化。
这是由于激光腔的谐振条件决定了激光器的输出波长。
最后，我们研究了激光器的光谱宽度。
通过光谱仪测量激光器的光谱分布，我们发现激光器的光谱宽度与注入电流和温度有关。
随着注入电流的增加和温度的降低，激光器的光谱宽度变窄，光纤通信系统中要求的窄光谱宽度可以通过适当的调节实现。
实验三：半导体激光器在光通信中的应用半导体激光器在光通信领域有着重要的应用。
我们通过实验研究了激光器在光纤通信中的应用。
首先，我们将激光器的输出光束通过光纤传输。
通过调节激光器的输出功率和波长，我们实现了光纤通信中的光信号传输。
通过光探测器接收光信号，并通过示波器观察到了传输过程中的光信号波形。
激光实验六半导体激光器激光谱线特性的测量
激光实验六半导体激光器激光谱线特性的测量实验目的（1）掌握使用单色仪和F-P标准测量半导体激光器激光谱线的办法；（2）学习从CCD-计算机图像采集系统获取的图像文件得到相关物理参数的图像分析方法。
实验原理半导体激光器的工作原理不考虑光源的话，一个激光器主要由两部分组成。
一是工作介质，用于产生受激辐射，要求粒子数反转以实现增益放大；另一个是谐振腔，用于控制电磁波的传播特性，只有被选择的少数电磁场模式能够传播。
在半导体激光器中，增益介质是半导体材料；并且在一般的半导体激光器中，构成谐振腔的也是半导体材料。
1.半导体作为光的增益介质电子在两个态之间跃迁产生光的吸收或发射。
在半导体中有若干种不同的跃迁机理，电子—空穴复合发光（即能带间的跃迁）是其中最主要的一种。
此时，产生电子跃迁的上下能态是半导体的导带和价带。
半导体中若是掺杂了施主杂质，使材料比未掺杂时（本征半导体）具有更多的电子，则成为n型半导体；若掺杂了受主介质，使材料比未掺杂时具有更多的空穴，则成为p型半导体。
在制作半导体激光器时，控制掺杂的种类和浓度，可以使一块半导体材料的一侧成为n型区，另一侧成为p型区，形成p-n结。
图1p-n 结如果在两侧加上正向电压，则使势垒降低，外加电源向n 区注入电子，向p 区注入空穴。
大量注入电子和空穴的半导体的状态与系统处于热平衡是的状态时不同的，此时，电子和空穴处于非平衡态，有各自的费米分布()e f E 和()h f E 以及不同的准费米能级n F E 和p F E 。
n 区的电子会经过p-n 结向p 区运动，p 区的空穴也会经p-n 结向n 区运动，在p-n 结处，即激活区（或称为有源层）产生粒子数反转，电子和空穴复合，以光子形式释放出能量。
这是半导体作为增益介质，在电流注入时的电子-空穴发光机理。
图1与图2是在坐标空间中的能级图，横坐标眼垂直于p-n 结方向；用以说明电子空穴对的符合发光是在p-n 结的区域中发生的。
半导体激光器_实验报告
半导体激光器_实验报告【标题】半导体激光器实验报告【摘要】本实验主要通过实际操作和测量，研究半导体激光器的工作原理和性能特点。
通过改变电流和温度等参数，观察激光器的输出功率和波长、发散角度等特性的变化，并分析其与激光器内部结构和材料特性之间的关系。
【引言】半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高等优点，在光通信、激光加工、医疗等领域有广泛应用。
了解半导体激光器的工作原理和特性对于深入理解其应用具有重要意义。
【实验内容】1. 实验器材与仪器准备：准备半导体激光器、电源、温度控制器、功率测量仪等实验设备。
2. 实验步骤：a. 连接电源和温度控制器，调节温度至设定值。
b. 调节电流，记录相应的激光器输出功率。
c. 测量激光器的输出波长和发散角度。
d. 分析激光器输出功率、波长和发散角度等特性随电流和温度变化的规律。
【实验结果】1. 实验数据记录：记录不同电流和温度下的激光器输出功率、波长和发散角度数据。
2. 实验结果分析：a. 输出功率与电流和温度的关系。
b. 输出波长与电流和温度的关系。
c. 发散角度与电流和温度的关系。
【讨论】根据实验结果，结合半导体激光器的内部结构和材料特性，讨论激光器输出功率、波长和发散角度等特性与电流和温度的关系。
分析激光器的工作原理和性能特点，并讨论其在实际应用中的优缺点。
【结论】通过实验，我们深入了解了半导体激光器的工作原理和性能特点。
通过调节电流和温度等参数，可以控制激光器的输出功率、波长和发散角度等特性。
半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高等优点，但也存在一些限制，如温度敏感性较强。
最后，我们对半导体激光器的应用前景进行了展望。
半导体激光器_实验报告
P(uW)
800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
从拟合图中找出阈值以上的直线部分，单独拟合如下图 2，利用拟合公式求得阈 值电流为 11.73mA；斜率效率为 0.10084W/A.
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半导体激光器
图 2
阈值以上的直线部分
10
误差产生的原因可能是读数时示数不稳定所带来的偏差，也有可能是测量光 功率时存在一些额外的损耗而没有很好的避免。 通过对表格 4、表格 5 的直观分析，可以看出：当电流一定时，随着温度的增 加，DFB 光谱的中心波长增加，功率谱密度减小；当温度一定时，随着电流 的增加，DFB 的中心波长增加，功率谱密度也增加。
功率谱密度/dBm -2.642 -0.963 0.381 1.168 1.925 2.621
中心波长 1546.139nm
功率谱密度 -0.154dBm
纵模间隔 1.374nm
-20dB 单模带宽 0.174nm
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半导体激光器
二、 实验结果分析
当温度为 20.1℃时，通过对 DFB 的 P-I 曲线拟合（图 1 图 2） ，得到的阈值 电流为 11.73mA， 当温度为 24.9℃时 （图 3 图 4） ， 得到的阈值电流为 12.15mA. 通过对 F-P 的 P-I 曲线拟合（图 5 图 6）,得到的阈值电流为 9.19mA,与理论 值的相对误差为 ε=| 9.19 10 | 100 % 8.1%
功率谱密度/dBm -2.642 -2.834 -2.936 -3.129 -3.283 -3.334
固定温度改变电流(t=20℃)
表格 5
半导体激光器发射光谱测量
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。
半导体激光器光学特性测量实验报告
半导体激光器光学特性测量实验学号：姓名：班级：日期：【摘要】激光器的三个基本组成部分是：增益介质、谐振腔、激励能源。
本实验通过测量半导体激光器的输出特性、偏振度和光谱特性，进一步了解半导体激光器的发光原理，并掌握半导体激光器性能的测试方法。
【关键词】半导体激光器、偏振度、阈值、光谱特性一、实验背景激光是在有理论准备和实际需要的背景下应运而生的。
光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础之一。
受激辐射的概念是爱因斯坦于1916年在推导普朗克的黑体辐射公式时提出来的, 从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的理论基础。
直到1960年激光才被首次成功制造（红宝石激光器）。
半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功发明，在1970年实现室温下连续输出。
半导体激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 等多种工艺。
由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。
半导体激光器已经成功地用于光通讯和光学唱片系统，还可以作为红外高分辨率光谱仪光源，用于大气检测和同位素分离等；同时半导体激光器成为雷达，测距，全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。
半导体激光器与调频器、放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通讯和光计算机的发展。
半导体激光器主要发展方向有两类，一类是以传递信息为目的的信息型激光器，另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。
本实验旨在使学生掌握半导体激光器的基本原理和光学特性，利用光功率探测仪和CCD光学多道分析器，测量可见光半导体激光器输出特性、不同方向的发散角、偏振度，以及光谱特性，并熟悉光路的耦合调节及CCD光学多道分析器等现代光学分析仪器的使用，同时进一步了解半导体激光器在光电子领域的广泛应用。
[DOC] 半导体激光器参数测量(二)
![[DOC] 半导体激光器参数测量(二)](https://img.taocdn.com/s3/m/c108ea370b4c2e3f5727631d.png)
半导体激光器参数测量（二）一 实验目的测量半导体激光器的谱线特性和远场特性 二 实验原理1、半导体的纵模设激光器的腔长为L ，内部充满折射率为n 的半导体材料。
部分反射的两个腔面的反射系数为R 1和R 2，如图1所示。
在腔内传播的平面波可用下式描写])exp[(]2exp[z g nzi i αλπφ-=式中0λ是自由空间波长，i α是内部损耗系数，通常是由自由载流子吸收和光学不均匀散射。
引起的，g 为增益系数。
在该系统中能够形成自持振荡条件是：当波在两个腔面间经过多次反射回到原处时，波的振幅至少应等于起始值。
这个条件可用下式表示：1])(2exp[]4exp[021=-L g nLi R R i αλπ因此振荡的相位条件，即形成稳定振荡的驻波条件为：πλπm nL240=式中m 为正整数，该式表明光子在谐振腔内来回一周所经历的光程必须是波长的整数倍；因此当腔长和n 一定时，每一个m 对应一个振荡波长或频率，或者对应一个振荡的纵模模式。
由此可见如果腔长较长，则可能有多个波长的波能够满足驻波条件；即所谓的多纵模。
对上式微分可以得到相邻纵模间隔)])((1[20200λλλλd dnn nL d -=式中方括号内所代表的是材料的色散，0/λd dn 表示每个纵模间隔是不同的。
该式表明，纵模与腔长成反比。
2、激光器的发射光谱、峰值波长、中心波长、平均波长（1）发射光谱激光器的发射光谱取决于激光器光腔的特定参数，大多数半导体激光器是多纵模振荡即其发光谱线中有多个峰的光谱（波长）如图2所示（2）峰值波长在规定输出光功率时，光谱内若干发射模式中强度最大的光谱波长被定义为峰值波长（p λ）。
（3）中心波长在激光器光谱中，连接50％最大幅度值线段的中点所对应的波长称为中心波长（c λ），用统计加权可表示为i ni i c E E λλ∑==10]1[式中，i λ为第i 个峰值的波长；i E 为第i 个峰值的能量；0E 为所有峰值的能量；∑==ni i P E 10。
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实验报告——半导体激光器输出光谱测量
实验时间：2017.03.04
一、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。
二、实验原理
1.半导体激光器
激光（LASER）的全称 light amplification by stimulated emission of radiation 意为通过受激发射实现光放大。
激光器的基本组成如下图：
必要组成部分无外乎：谐振腔、增益介质、泵浦源。
在此基础上，激光产生的条件有二：
1）粒子数反转
通过外界向工作物质输入能量，使粒子大部分处于高能态，而非基态。
2）跃迁选择定则
粒子能够从基态跃迁到高能态，需要两个能级之间满足跃迁选择定则，电子相差 的奇数倍角动量差。
世界上第一台激光器是1960年7月8日，美国科学家梅曼发明的红宝石激光器。
1962年世界上第一台半导体激光器发明问世。
2.半导体激光器的基本原理
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。
没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。
如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。
有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。
在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。
而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。
因此，n 型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。
若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。
正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍
作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。
这就是半导体场致发光的机理。
3.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
I。
值电流
th
4.半导体激光器与光纤通信
自1980年代起，光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性的影响，同时也在数位时代里扮演非常重要的角色。
光纤通信传输容量大，保密性好等优点。
光纤通信现在已经成为当今最主要的有线通信方式。
1966年，英籍华人高锟（C. K. Kao)预见利用玻璃可以制成衰减为20dB/Km的通信光导纤维（即光纤）。
1970年，美国康宁（Corning）公司首先研制成衰减为20dB/Km的光纤。
在数十年的发展过程中，光纤通信系统经历了三代：
①工作波长为850nm多模光纤光通信系统（掺磷半导体激光器）；
②工作波长为1330nm多模光纤光通信系统和单模光纤光通信系统（掺铒半导体激光器）；
③工作波长为1550nm单模光纤光通信系统（掺铒光纤）。
5.半导体激光器的优缺点
优点：
①转换效率高
量子阱型的效率有20~40%，P-N型也达到数20~25%
②辐射范围广
通过对半导体掺杂，可以获得从280nm-1600nm之间的各种波长激光。
缺点：
①多纵模输出
由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之间，所以激光线宽较宽。
GaAs激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。
输出激光的峰值波长：77K时为840nm；300K时为902nm。
②光斑不够均匀
半导体激光器的光斑取决于使用的P-N结的形状，虽然P-N结可以利用解理面构成相当良好的腔镜结构，但是外部形状则不容易做成圆形，因而半导体激光器的光斑不圆，呈长条状，发散，不均匀。
由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°左右。
三、实验数据
1.阈值电流测量
(1) 检查稳流电源的输出与激光二极管是否连接正确和接触良好。
(2) 开启LD的稳流电源，功率计调零。
(3) 调整光路成水平平行，即半导体激光经准直后在5cm∼2m的范围内光斑大小、形状基本不变；使光斑中央的亮线呈水平。
(4) 将激光打在功率计上，测量出阈值电流的大致位置（约为8mA），从0mA开始，每次加2mA，到达8-10mA中每次加0.5mA，加到饱和为止。
(5)几率电流值、电压值、光功率，并求出阈值电流。
拟合直线：0.1886 3.37709light input P P =-
斜率：0.1886，表明转换效率为18.86%
拟合直线：=0.49957 4.28831light P I -
2、发射光谱的测量
（1）观测注入电流小于阈值电流时的发射光谱。
（2）观测阈值电流附近的发射光谱。
（3）观测大于阈值电流时的发射光谱，并测量线宽。
3、谱线宽度的压窄及测量
1）用光谱仪观测光栅外腔半导体激光器的发射谱。
2）外加光栅，仔细调节使+l级衍射反馈回到激光腔内，用0级输出。
适当调整光栅的角度，可使光栅只有0、1两个级次衍射。
此时，电流置于阈值附近(稍低)，调节光栅
的微调钮可得到窄线宽激光输出。
得到外腔反馈的激光输出后，用聚焦透镜和自聚焦光纤将光输入光谱仪观测发射光谱。
物理原因：
利用激光外腔光反馈法压窄激光线宽和选择单纵模。
该系统利用闪耀光栅的选频特性压窄激光线宽和选取单纵模，同时，改变光栅角度，还可选取不同波长，以实现激光输出的波长调谐。
从原理上讲外腔反馈可以从两个方面使线宽变窄：
（1）加入外腔等于增大腔长。
（2）引入反馈可以增加受激辐射抑制自发辐射。
外反射器与半导体激光二极管的两解
理面构成复合腔系统，由内腔决定的纵模分布如下图，由外腔决定的纵模分布如下图。
由于外腔镜有一定的反射带宽，使外腔反馈光波场与原激光二极管的本征波场迭加相干，从而改变原本征场的驻波分布，造成不同纵模间的损耗差别；同时外腔反馈改变了模间耦合竞争情况，可使某个纵模占优势而抑制其它模式。