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PI特性测试实验
6.连接好实验箱电源，先开交流电源开关，再开直流电源开关，即按下K01，K02 (电源模块)，并打开光发模块（K10）和数字信号源（K50）的直流电源。
7.用万用表测量R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104）。
8.慢慢调节电位器W101，使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入下表。
2.根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流Ith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。
太原理工大学学生实验报告
学院名称
信息工程学院
专业班级
信息0802
实验成绩
学生姓名
学号
实验日期
2011.12
课程名称
光纤通信
实验题目
半导体激光器P-I特性测试实验
实验记录：
一、实验目的
1.学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理
2.了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系
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。
半导体激光器实验
实验十五半导体激光器实验一、实验目的1．了解半导体激光器的基本原理和基本特性；2．掌握半导体激光器的使用方法。
二、实验原理半导体激光器之所以受到重视，是因为它既有激光单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点，又具有半导体器件的体积小、重量轻、结构简单、使用方便、效率高和工作寿命长等优点。
半导体激光器能直接利用电源对输出激光进行调制，而且发射波长恰好与光纤传输损耗最低的波段相匹配，因此，可成为光通信的理想光源。
同时在CD、DVD、激光打印机、激光全息照相、光信息处理、激光高速印刷、数码显示、激光测距、激光准直、激光雷达、激光大气污染测试、光谱分析、航标、泵浦能源等领域也有广泛的应用前景。
和其他激光器一样，要使半导体发射激光，必须具备三个基本条件：（1）建立粒子数反转分布，以产生受激辐射；（2）建立一个能起到光反馈作用的谐振腔，以产生激光振荡；（3）满足一定的阈值条件，使得光增益大于损耗。
在简单的两能级系统中，高能级的载流子数大于低能级的载流子数就实现了载流子的反转分布，受激辐射将大于受激吸收而产生光学增益。
在半导体激光器中受激跃迁发生在被占据的导带电子态和价带空穴态之间，其跃迁发生在能量分布较广的能级之间，这时载流子反转分布的条件有所不同。
图15—1（a）表示T≈0K时直接带隙半导体中载流子的填充情况，能量大于带隙能量E g的入射光子将被吸收发生吸收跃迁。
假若用某种激励方式使电子受激从价带跃迁到导带，经一段很短驰豫时间后，电子填充情况如图14—1（b）所示。
在一定温度T时，电子占据导带和价带中某一能级E的几率f C（E）和f v （E）满足费米-狄拉克分布，分别为⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-+=-+=)exp(1)()exp(1)(T E E a E f T E E a E f FV v FC e κκ 式中E FC 、E FV 分别是导带和价带的准费米能级，R 是玻尔兹曼常数。
若用能量为h ν的光子束照射半导体系统，必然要引起光的受激辐射和吸收。
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.
2/7
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。
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。
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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 D
en 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。
每个模都由自己的传播系数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。
横模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结面方向分别成为正横场和侧横场。
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面方向的宽带大于垂直于结面方向的厚度。
所以侧横场小于正横场
θ=，d表示共振腔宽度。
共振发射角，如图13-5所示；侧横场发射角可近似表示为：d/λ
腔的厚度通常只有1μm左右，和波长同量级，所以正横场发射角较大，一般为30°~40°。
辐射场的发射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的远场发射角。
图13-5 半导体激光器的远场辐射特性
图13-5（c）半导体激光器的远场辐射特性
4、纵模特性
激光器二极管端面部分的反射的反馈导致建立单个或多个纵模特性。
由于通常同时存在几个纵模，半导体激光器的典型光谱如图13-6所示，其波长接近自发辐射峰值波长，因此，为了实现单模工作须改进激光器的结构，抑制主模以外的所有其他模。
图13-6 半导体激光器的光谱图
5、偏振特性
因为半导体激光器共振腔面一般是晶体的解里面，对常用的GaAs 异质结激光器的GaAs 晶面对TE 模的反射率大于对偏振方向垂直于波导层的TM 模的反射率，因此，半导体激光器输出的激光偏振度很高，一般是9.0////≥+-=⊥
⊥I I I I P 。
【仪器介绍】
半导体激光器实验装置如图13-7所示。
图13-7 实验装置图
1、光学多道分析器：由光栅单色仪，CCD 接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D 采集单元，计算机组成，如图13-7所示。
WGD-6型光学多道分析器波长测量范围是300-900nm ，CCD 接收单元为2048个
图13-8 光学原理图
M1：反射镜、M2：反射式准光镜、M3：物镜、M4：转镜、G：平面衍射光栅、
S1：入射狭缝、P：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CCD上。
其中M2、M3的焦距为302.5mm；光栅G每毫米刻线600条，闪耀波长550nm。
2、WGD-6软件：其工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13-9和图13-10所示。
3、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。
4、光功率指示仪:2μW～200mW,6挡调节。
5、光学升降台：升降范围>40mm。
6、旋转台：0～360°最小刻度值1°。
图13-9 WGD-6软件工作界面
图13-10 WGD-6软件测量光谱图
【实验内容与要求】
1.半导体激光器的伏安特性和P-I特性
打开半导体激光器LD电源，调节半导体激光器的准直透镜把光耦合进光功率指示仪的接收器，用光功率指示仪读出半导体激光的输出功率。
调节半导体激光器注入电流I令其从0逐渐增加到40mA，观察半导体激光器输出功率P的变化和LD电源电压表V的变化，重复2次，将实验数据列表，并作出V-I、P-I曲线，V、P为平均功率，并找出阈值电流。
2.半导体激光器的发散角
将半导体激光器置于旋转台中心，去掉激光器的准直透镜，使半导体激光器的光发散，并让发散角最大的一面平行于旋转台面。
旋转探测器测量不同角度的光功率，记录光功率指示仪所测得的输出值，作出在不同的注入电流时，其输出值随角度的变化曲线，得到正横场发散角分布特点。
将半导体激光器旋转90°再测量侧横场发散角，绘制半导体激光器的远场辐射特性。
3.半导体激光器的偏振度测量
在探测器前加入偏振片，将偏振片从0°旋转到180°，每隔5°记录记录输出功率，计算偏振度P。
4.半导体激光器的光谱特性测试
将半导体激光器LD（650nm,<5mW）的光信号通过透镜L耦合进WGD-6光学多道分析器的输入狭缝S1，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CCD 接受放大输出到计算机，通过控制软件的设置就绘出半导体激光器的谱线。
分析半导体激光器的输入功率对光谱的影响。
半导体的激光器的输入功率对光谱的影响在这个实验中可以看作半导体激光的注入电流对光谱的影响！
半导体激光器在不同注入电流下会进入不同的模式，一定的电流范围内可能单模工作，电流变化后可能多模工作，单模的光谱集中于一个波长附近呈现单峰，多模的光谱呈现多峰。
误差分析：（1）容易收到外界电信号等得干扰，导致实验数据有偏差。
【思考问题】
1.半导体激光器为什么存在阈值电流？阈值电流与那些因素有关？
半导体激光器又称激光二极管，二极管的PN结加正向电压时，可以有较大的正向扩散电流，即呈现低电阻，我们称PN结导通；PN结导通了二极管才开始工作，因此存在阈值电流。
与二极管的材料、温度有关。
2.与气体激光器相比，半导体激光器具有那些优缺点？
优：价格便宜
体积小
可以做高速调制
功率可以很方便的进行各种调制
缺：半导体激光管（LD）的激光输出功率会随其壳体的温度变化而有较大变化。
半导体激光器的中心波长的一致性比较差，不同批次的半导体激光管的中心波长一般来说都会略有差别。
半导体激光管（LD）的发出的激光束的发散角非常大，且两个方向的发散角不同，所以绝大多数半导体激光模块都要对半导体激光管发出的激光进行光束整形。