半导体激光器-发散角
半导体激光器的工作原理及应用
半导体激光器的工作原理及应用摘要：半导体激光器产生激光的机理，即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。
由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。
从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。
关键词：受激辐射；光场；同质结；异质结；大功率半导体激光器The working principle of semiconductor lasers and applications ABSTRACT: The machanism of lasing by semiconductor laser,which requires set up specially designated reverse of beam of particles among energy stages,and appropriate optical syntonic coelenteronAs the specificity of structure from semiconductor and moving electrons.something interesting happens.On the one hand,the specific process in producing lase,on the other hand,the beam of light has unique advantages。
As the reasons above,we can easily found it all quartersof the society.From homojunction to heterojunction,from informatics to power,the advantages of laser are in evidence,the wide spectrum,the semiconductor open the epoch in the process of laser. Key worlds: stimulated radiation; optical field; homojunction; heterojunction; high-power semiconductor laser 0 前言半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。
半导体激光器参数3
半导体激光器参数3
阵列和单元器件快轴方向上光束质量一致； 阵列慢轴方向上光源区越薄，发散角越大，衍射极限矛盾？ 大功率半导体激光器快轴方向N.A.>0.6
半导体激光器参数3
N.A.=nsin
•高数值孔径要求使用高 折射率材料 •难点：非球面微柱透镜 的加工
•光束质量表征光束的可汇聚程度 •光参积是一个不变量
半导体激光器参数3
激光头工作距离 ≥100mm
M2值增大 焦点增大
对光束质量提出要求
半导体激光器参数3
输入光束的光斑半径要小于光纤芯径
din dcore
发散角（全角）要小于光纤数值孔径的反 正弦的2倍
in2arcsNi.nA.() N.A.=0.22 < 25.4°
diode laser
fast- & slow axis
collimation
spatial multiplexing
spatial multiplexing
polarization multiplex.
wavelength multiplex.
wavelength multiplexing
1
2
3
半导体激光器参数3
半导体激光器参数3
缺点：
•介质中光程长，有一定吸收，晶体需要良好冷却
•入射角有一定限制
•晶体占据一定空间
No=1.658，Ne=1.486
半导体激光器参数3
4种波长光束耦合， BPP不变，功率提高4倍， 等效提高光束质量4倍
半导体激光器参数3
polarizat ion mult iplexing
半导体激光器参数3
椭球面方程
半导体激光器参数3
半导体激光器实验
课题半导体激光器实验1．了解半导体激光器的基本工作原理，掌握其使用方法；教学目的 2．掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节；3．学会测量半导体激光器的输出特性和光谱特性。
重难点 1．激光器与光具组的共轴调节；2．输出特性的测量方法。
教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。
学时 3个学时一、前言光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础，引起世界各国的极大关注。
其中半导体激光器的生产和应用发展特别迅猛，它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，用于大气测污和同位素分离等；同时半导体激光器可以成为雷达，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，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，光计算机的发展。
二、实验原理1．半导体激光器的工作原理激光器一般包括三个部分。
（1 ）激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。
在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。
显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。
现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。
（2）激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。
一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。
各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。
为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。
（3） 谐振腔有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。
于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。
所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。
一块几乎全反射，一块大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。
半导体激光器P-I特性测试实验
太原理工大学学生实验报告
1.根据实验记录数据，算出半导体激光器驱动电流，画出相应的光功率与注入电
流的关系曲线。
(测得电阻为Ω)
2.根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流I th的大小。
3.根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。
七、注意事项
1.半导体激光器驱动电流不可超过40mA，否则有烧毁激光器的危险。
2.由于光功率计，光跳线等光学器件的插头属易损件，使用时应轻拿轻放，切忌
用力过大。
八、思考题
1.试说明半导体激光器发光工作原理。
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。
半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射
2.环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响
随着温度的上升，阈值电流越来越大，功率随电流变化越来越缓慢。
3.分析以半导体激光器为光源的光纤通信系统中，半导体激光器P-I特性对系统。
激光器的种类及性能参数总结
激光器的种类及性能参数总结半导体激光器——用半导体材料作为工作物质的一类激光器中文名称：半导体激光器英文名称：semiconductor laser定义1：用一定的半导体材料作为工作物质来产生激光的器件。
所属学科：测绘学（一级学科）；测绘仪器（二级学科）定义2：以半导体材料为工作物质的激光器。
所属学科：机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科）定义3：一种利用半导体材料PN结制造的激光器。
所属学科：通信科技（一级学科）；光纤传输与接入（二级学科）半导体激光器的常用参数可分为：波长、阈值电流Ith 、工作电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im 。
（1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、激光二极管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。
（2）阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。
（3）工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。
（4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15˚~40˚左右。
（5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6˚~ 10˚左右。
（6）监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。
工业激光设备上用的半导体激光器一般为1064nm、532nm、808nm，功率从几瓦到几千瓦不等。
一般在激光打标机上使用的是1064nm的，而532nm的则是绿激光。
准分子激光器——以准分子为工作物质的一类气体激光器件。
中文名称：准分子激光器英文名称：excimer laser定义：以准分子为工作物质的激光器。
所属学科：机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科）在医学领域中使用的激光器种类非常多,常用于眼科治疗的主要有红宝石(rudy)激光、氩离子(Ar+)激光、氪离子(Kr+)、染料(dye)激光、掺钕钇铝石榴石(Nd:Y AG)激光和氟化氩(ArF)准分子激光等固体、气体和液体的激光器，用连续的、脉冲的和调Ｑ的方式，治疗眼底部色素膜和屈光间质等部位的数十种有关眼部疾病。
半导体激光器原理及应用
激光器的单纵模工作条件
第q阶模与主模功率之比为：
Pq
1
P0 1 (Po / Pqsat )
要想得到近乎单纵模输出，必须使Pq/P0尽可能小。
从图中可以看出短腔长和高腔面反射率，都有利于使 激光器单模工作。
以（P1/P0）≦0.05作为激光器单模工作的判据，由边 模抑制比
1）增益系数 2）载流子的俄歇复合，载流子的界面态和表面态的复合，载流子的吸收引起的
内部损耗 3）热载流子的泄露
半导体激光器的效率
描述激光器电子--光子转换的效率，即电能转换为光能的效率。
分别用功率效率和外微分量子效率描述。
1）功率效率
p
激光器所发射的光功率 激光器所消耗的电功率
Pex IV I 2rs
/ )2
式中，n2和d分别为激光器有缘层的折射率和厚度； n1为限制层的折射率；λ为激射波长
理想的高斯场分布
半导体激光器的光束发散角
显然，当d很小时，可忽略上式分 母中的第二项，有
4.05(n22 n12 )d
可见，ө随d的增加而增加
半导体激光器发散角与有缘层厚度的关系
解决办法：利用自聚焦透镜对出射光进行准直
归一化输出与调制频率的关系
半导体激光器的动态特性
张弛振荡与类谐振现象物理机制不同，但几乎有和共振频率相同的振荡频率， 为了抑制这两类现象，已实践过这两类方法：
1）外部光注入，能有效增加自发发射因子，不但能抑制张弛振荡，还能抑制 多纵模的出现。
2）自反馈注入或采用外部电路。自注入方法是将LD输出的一部分以张弛振荡 周期的0.2~0.3倍的时延再注入到它本身的腔内，能有效抑制张弛振荡。采用 外部LCR滤波电路来分流高频分量，进而抑制类谐振现象。
高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应
高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应1. 引言在现代科技领域，高功率半导体激光器是一种至关重要的光电器件。
它的广泛应用范围涵盖通信、医疗、材料加工等多个领域。
而在高功率半导体激光器中，慢轴发散角波导热透镜效应是一个备受关注的现象。
2. 高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应的概念和原理慢轴发散角指的是激光器输出光束的横向发散角，而波导热透镜效应是指在高功率半导体激光器中，由于电流注入导致波导区温度升高，从而使横向光学模式发生变化的现象。
激光器的慢轴发散角波导热透镜效应是指在高功率工作状态下，由于波导区温度上升，导致激光器横向光学模式结构受到改变，使得光束传输特性发生变化的现象。
3. 高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应的影响慢轴发散角波导热透镜效应的产生会导致激光器的输出光束横向分布发生改变，影响激光器的光束质量和传输性能。
特别是在高功率激光器中，这种效应会对激光器的稳定性和可靠性构成挑战，甚至降低整个激光系统的性能。
4. 高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应的解决方法为了克服激光器慢轴发散角波导热透镜效应带来的负面影响，科研人员提出了许多解决方案。
通过优化波导结构和材料，以降低波导区温升；采用外部降温技术，如热沉等；调整电流注入分布，减少波导区温度梯度等。
5. 个人观点和理解对于高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应，我认为这是一个在实际应用中非常重要的问题。
它直接关系到激光器的性能和稳定性，因此需要引起足够重视。
在解决这一问题的过程中，科研人员需要综合考虑材料、结构、制备工艺等多个方面的因素，以找到最佳的解决方案。
6. 总结高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应是一个复杂而重要的问题，对于激光器的性能和稳定性具有重要影响。
在实际应用中，需要借助有效的解决方案来克服这一问题，以确保激光器的高效运行和稳定输出。
在知识的文章中，上述内容将按照序号标注，并在内容中多次提及“高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应”，以满足您的要求。
半导体激光器实验报告
实验13半导体激光器实验【实验目的】1.通过实验熟悉半导体激光器的电学特性、光学特性。
2.掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节。
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。
4.掌握WGD-6光学多道分析器的使用【仪器用具】半导体激光器及可调电源、WGD-6型光学多道分析器、可旋转偏振片、旋转台、多功能光学升降台、光功率指示仪【实验原理】1、半导体激光器的基本结构半导体激光器的全称为半导体结型二极管激光器，也称激光二极管，激光二极管的英文名称为laser diode，缩写为LD。
大多数半导体激光器用的是GaAs或GaAlAs材料。
P-N结激光器的基本结构和基本原理如图13-1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，这电流使得附近的有源区内产生粒子数反转（载流子反转），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需的光反馈。
图13-1（a）半导体激光器结构图13-1（b ） 半导体激光器工作原理图2、半导体激光器的阈值条件阈值电流作为各种材料和结构参数的函数的一个表达式：)]1ln(21[8202R a Den J Q th +∆=ληγπ这里， Q η是内量子效率，0λ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。
图13-2半导体激光器的P-I特性图13-3 不同温度下半导体激光器的发光特性3、伏安特性伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质，通常用V-I曲线表示。
V-I曲线的变化反映了激光器结特性的优劣。
与伏安特性相关联的一个参数是LD的串联电阻。
对V-I曲线进行一次微商即可确定工作电流（I）处的串联电阻（dV/dI）。
对LD而言总是希望存在较小的串联电阻。
图13-4典型的V-I曲线和相应的dV/dI曲线3、横模特性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。
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近场分布是指LD发光面上的辐射强度分布，即反映P-N结上光强的分布； 远场分布则是指远离激光器无穷远处的辐射强度分布（光强与角度的分布）。
远场分布是近场分布的Fourier变换。
半导体激光器的模式分为空间模和纵模（轴模）。
半导体激光器的空间模和纵模（轴模）
或者是空间几何位置上的光强（或者光功率）的分布，也称为远场分布 在不同频率分量上的分布。
数据记录
序号 1 ... 电流I
40
o
30
o
30
o
40o
实验内容与步骤
2.2. 半导体激光器的偏振度测量
图 3 测量半导体激光器的偏振度
1）旋转偏振片，读出偏振片处于不同角度 2）记录对应的半导体激光器输出值 3）将实验值列表，并计算出其偏振度。
注意事项
1、用光功率获取输出功率时，每选择一个量程都需要重新调零。 2、半导体激光器输出或反射光应避免直接照射人眼。
2）焦距为f的薄透镜的透射矩阵为 ： 1 T 1/ f 0 1
f 0 r g 0 f (1 f ) 0
由于半导体激光器快轴方向发散角非常大，不能用上述方法测量，用单点
扫描法。
快轴是单横模输出，其光强基本上按正弦（余弦）函数形式分布。
实验内容与步骤
1.半导体激光器的发散角测定 1）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。 2）确定快、慢轴 3）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
图 2 测定半导体激光的发散角
4）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。
空间模描述围绕输出光束轴线某处光强分布，
纵模表示是一种频谱，它反映所发射的激光其功率
两者都可能是单模或者出现多个模式（多模）。 边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于结平面方向（称横向）
和平行于结平面方向（称侧向）有不同的波导结构和光场限制。
2、为什么要了解发散特性
半导体激光器输出光束不对称，使得在许多应用过程中必须采用特殊的光学系统进行光 束整形。 在设计光学系统的光学元件及进行光学耦合时需要了解激光器的远场特性。
r是光线离开光轴的垂直 距离；
是光线传播方向与光轴 的夹角。
r2 r1 A B r1 C D T 1 2 1
1)光束在均匀介质的传播 ，传播距离l , 其透射矩阵为： 1 l T 0 1
Hale Waihona Puke 假定一条光线在输出面 的位置(r0 , 0 )； 离输出面g的地方放一薄透镜 F，薄透镜的焦距 f, 传输到透镜的后焦平面 时为(rf , f )，则 rf f 1 0 f 1 1 1/ f 0 1 g r0 1 0 1 0
3 半导体激光器远场分布的测量
在高斯光学中，近轴对称光学系统从点 (r , ) 传输到点 (r2 , 2 ) 可用光线传输 1 1 矩阵来计算：
r2 r1 A B r1 C D T 1 2 1
半导体激光器发散角和偏振特性测量
实验目的：
1、掌握半导体激光器远场发散角的测量方法。 2、掌握半导体激光器偏振特性的测量方法。
1、空间模和纵模
实验原理
X方向（快轴），它与结平面方 向垂直，又称为横向,发散角较大；
Y方向（慢轴），为与结平面平 行的方向，又称为侧向,发散角较 小;
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。