半导体激光器稳频
半导体激光器工作原理及基本结构
工作三要素：
01
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
02
半导体激光器工作原理
02
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫做受激光辐射。
条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激光器(普通条形)和折射率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。
”
增益波导条形激光器 (普通条形)
特点：只对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散有限制作用，对光波侧向渗透没有限制作用。 我们的808大功率激光器属于这种结构：把p+重掺杂层光刻成条形，限制电流从条形部分流入。但是在有源区的侧向仍是相同的材料，折射率是一样的，对光场的侧向渗透没有限制作用，造成远场双峰或多峰、光斑不均匀，同时阈值高、光谱宽、多纵摸工作，有时会出现扭折问题。
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
采用MOCVD方法制备外延层，外延层包括缓冲层、限制层、有源层、顶层、帽层。有源层包括上下波导层和量子阱。
有源层的带隙比P型和N型限制层的小，折射率比它们大，因此由P面和N面注入的空穴和电子会限制在有源区中，它们复合产生的光波又能有效地限制在波导层中。大大提高了辐射效率。
最上面的一层材料（帽层）采用高掺杂，载流子浓度高，目的是为了与P面金属电极形成更好的欧姆接触，降低欧姆体激光器器件制备
大片工艺包括：材料顶层光刻腐蚀出条形、氧化层制备光刻、P面和N面电极制备、衬底减薄。 条形结构：在平行于结平面方向上也希望同垂直方向一样对载流子和光波进行限制，因此引进了条形结构。 条形结构的优点： 1. 使注入电流限制在条形有源区内，限制载流子的侧向扩散， 使 阈值电流降低； 2. 有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传递而逸散，提高器件的散热性能； 3. 有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性； 4. 器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。
4.5 激光器的频率牵引与频率稳定-20200506
光介质被激活后的频率变为多少？(不考虑模式竞争)
c
L
c
L c
c
1
2 c
c 2L
0.04 3108 2 3.14 0.5 1.6
2.4MHz
H
c H
2.4 10
0.24
q
0 q
q 0
qHale Waihona Puke 00 q1
0.24 5 108 6 108 1 0.24
5.8 108 MHz
三、频率稳定
激光器中Δv与v的比值很小，即单色性很好。
0左
q右 q左
0 q
振荡模谱
q
0 q
2
q左 q右
ln 2 c D
1
I q Is
( q
0 )
2
ln 2 c D
1
I Is
0
加上纵向磁场时，激光器产生左旋圆偏振及右旋圆偏振的双频激光，频差 v约为塞曼分裂值v0 千分之几。
16
双频激光器稳频的方法之一：测出二圆偏振光输出功率差 值，作为鉴频的误差信号，通过伺服控制系统控制激光器
设表观中心频率在0~0+d0范围内的反转集居数密度为
n0 g%D ( 0, 0 )d 0 , 这部分反转粒子对折射率变化的贡献为：
c( 0 ) 2 H
A21v2n0g%D ( 0 , 0 )
4
2
2 0
H
(
0 )2
H
2
2
H
2
2
1
I Is
d 0
均匀加宽按洛伦兹线型，非均匀加宽按多普勒加宽计算
D
D
如果工作物质具有非均匀加宽线型，即 H D, 1
半导体激光器工作原理
半导体激光器工作原理首先，半导体激光器中的激活载流子通过注入电流的方式得以激活。
半导体材料通常是由n型和p型半导体组成的p-n结。
当外加正向偏压时，n型半导体中的自由电子将从导带跃迁到p型半导体中的空穴，形成激活载流子。
激活载流子存在于活性层或量子阱中，这是激光器的主要部件。
接下来，需要形成反射反馈来实现光放大。
在半导体激光器中，常常使用镜面和光栅等光学元件来实现反射反馈。
其中，光栅通常被用于频率稳定的激光器，镜面则常用于多模激光器和低成本的边界模激光器。
这些反射反馈会引导光信号在激活载流子的周围多次传输，并逐渐增加光子的数目。
然后，激活载流子引起的光信号在增加光子数目的过程中被光增益介质放大。
半导体激光器中的活性层或量子阱具有较高的光增益，因此能够对穿过的光信号进行放大。
在这个过程中，激活载流子释放出能量，使周围的光子激发更多的激活载流子，这样就形成了光放大的正反馈过程。
最后，在反射反馈和光增益的作用下，激光器中产生了激光输出。
当光信号在活性层或量子阱中传播时，由于反射反馈和光增益的影响，其能量逐渐增加。
当达到激光输出阈值时，产生了相干的激光，从激光器的输出端口射出。
需要注意的是，半导体激光器的一些特殊结构可以实现单模或多模激光输出。
例如，具有窄量子井和窄带隙的阱层等结构可以实现单模输出；而具有宽阱层和厚量子井的结构则有助于实现多模输出。
总的来说，半导体激光器的工作原理涉及激活载流子、形成反射反馈、实现光放大和产生激光输出等过程。
通过这些步骤，半导体激光器能够高效地将电能转化为激光能，并广泛应用于各个领域。
dfb半导体激光器的原理
dfb半导体激光器的原理DFB半导体激光器是一种高性能、高稳定性、高效率的光电器件，应用广泛，如：光通信、光存储、医疗、航空航天等领域。
那么，DFB半导体激光器是如何工作的呢？下面我们就来分步骤阐述DFB半导体激光器的原理。
第一步：PN结形成DFB半导体激光器是由PN结、活性层、反射镜等多层结构组成的。
首先，PN结是基本的构造单元，能够将电流和电子注入到活性区，形成电子和空穴复合放出光。
第二步：波导形成波导是长宽比优于1：5的导波结构，波导内的半导体材料的掺杂浓度和折射率要不同于其周围的材料，以便导致光的反射和传输。
第三步：活性层设置活性层是激光器中最重要的部分，它是PN结和波导之间的区域，其中的电子被激发并放出光。
DFB激光器中的活性层通常是砷化镓(GaAs)或砷化铝镓(AlGaAs)材料。
第四步：反射镜形成反射镜是DFB半导体激光器中的另一个重要组成部分。
它们采用了一种称为布拉格衍射的技术来反射某些波长的光。
布拉格衍射的基础是周期性的折射率变化可以产生反射。
第五步：DFB 半导体激光器的工作原理DFB激光器的工作原理是通过施加电压来提供一定的能量，来促进光子释放。
当电流通过PN结时，电子和空穴重新结合时释放出光子。
这些光子会在反射镜之间来回波动，因为这些反射镜被设置为不能将特定波长的光波逃逸出去。
因此，光逐渐变强并逐步放大，最终成为一束窄而强的单色光。
总之，DFB半导体激光器是一种高性能、高效率、高稳定性的光电器件，广泛应用于光通信、光存储、医疗、航空航天等领域。
以上就是DFB半导体激光器的原理分步骤阐述，希望对广大读者有所帮助。
半导体激光器 原理
半导体激光器原理
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光发射装置。
它通过电流注入半导体材料中的活性层，使其产生载流子（电子和空穴）重组的过程中释放出光子。
以下是半导体激光器的基本原理：
1. P-N结构：半导体激光器通常采用P-N结构，其中P区域富含正电荷，N区域富含负电荷。
2. 电流注入：当电流从P区域注入到N区域时，电子和空穴
会在活性层中重组，形成激子（激发态）。
3. 激子衰减：激子会因为与晶格的相互作用而损失能量，进而衰减为基态激子。
4. 辐射复合：基态激子最终与活性层中的空穴重新结合，释放出光子。
这个过程称为辐射复合。
5. 光放大：光子通过多次反射在激光腔中来回传播，与活性层中的激子相互作用，不断放大。
6. 反射镜：激光腔两端分别放置高反射镜和透明窗口，高反射镜可以增加内部光子的反射使其在腔内传播，透明窗口允许激光通过。
7. 激光输出：当达到一定放大程度时，激光在透明窗口处逃逸，形成激光输出。
通过控制电流注入和激光腔的结构设计，可以调节半导体激光器的发射波长、功率等参数，以满足不同应用领域的要求。
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。
半导体激光器测试方法
半导体激光器测试方法
半导体激光器是一种常见的光电器件，通过将电能转化为光能产生激光。
为了确保半导体激光器的性能和质量，需要进行各种测试。
以下是常见的半导体激光器测试方法：
1.激光器波长测试：使用光谱仪进行激光器波长的检测，以确保激光器的波长符合要求。
2.光功率测试：测量激光器的输出功率，以确保激光器的输出功率符合要求。
这可以使用功率计或功率传感器进行测量。
3.光电特性测试：通过测量激光器的光电流和光谱特性等参数，来确定激光器的光电特性。
4.稳定性测试：对激光器进行长时间的稳定性测试，以确保激光器的性能和可靠性。
5.阈值电流测试：测试激光器的阈值电流，以确定激光器的启动电流和电压。
6.温度测试：测试激光器在不同温度下的性能，以确定激光器在各种环境下的工作条件。
半导体激光器测试是半导体激光器制造过程中非常重要的一环，只有通过严格的测试可以确保激光器的性能和质量。
- 1 -。
半导体激光器速率
半导体激光器速率半导体激光器是一种将电能转化为光能的器件，具有小体积、高效率、低成本等优点，被广泛应用于光通信、激光打印、医疗美容等领域。
而半导体激光器的速率是指其输出激光的频率或脉冲重复频率，对于各种应用而言都具有重要的意义。
半导体激光器的速率可以通过多种方式实现，其中最常见的是调制器的使用。
调制器可以根据输入的信号来调节激光器的输出，实现高速的光信号传输。
常见的调制方式有直接调制和外差调制两种。
直接调制是指通过改变激光器的电流来调节输出激光的光强。
这种方法简单直接，但由于半导体激光器的腔长有限，直接调制速率受到一定的限制。
目前，直接调制速率已经可以达到几十GHz，但要实现更高的速率仍然具有一定的挑战。
为了进一步提高半导体激光器的速率，外差调制成为一种常用的方法。
外差调制是通过引入一个辅助激光光束，与激光器的输出光束进行干涉，从而实现对激光器的调制。
外差调制可以实现非常高的速率，目前已经可以达到数百GHz甚至上千GHz的水平。
除了调制器，半导体激光器的速率还受到其他因素的影响。
例如，激光器的腔长和谐振模式对速率有一定的限制。
当腔长较短时，由于腔长模式间的相互干涉效应，速率会受到限制。
而当腔长较长时，速率受到谐振模式切换的限制。
因此，在设计半导体激光器时需要综合考虑腔长和谐振模式的选择，以实现较高的速率。
半导体材料的特性也会对激光器的速率产生影响。
例如，半导体材料的寿命时间常数决定了激光器的响应速度。
寿命时间常数较短的材料能够实现更高的速率，因为它们的载流子重新组合的时间更短。
因此，在材料选择和制备过程中需要考虑寿命时间常数的优化。
总结起来，半导体激光器的速率是指其输出激光的频率或脉冲重复频率，对于各种应用而言都具有重要的意义。
通过调制器的使用，可以实现对激光器速率的调节，其中外差调制是一种常用的方法。
除此之外，半导体激光器的腔长、谐振模式以及材料的特性也会对速率产生影响。
未来，随着技术的不断发展，我们可以预见半导体激光器的速率将会进一步提高，为各种应用领域带来更多的可能性。
785半导体激光器参数
785半导体激光器参数
半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件。
它的参
数包括以下几个方面：
1. 波长，半导体激光器的波长是指其产生的激光的波长范围，
常见的波长包括可见光范围和红外光范围，如800纳米、850纳米、1310纳米等。
2. 输出功率，输出功率是指半导体激光器输出的激光功率，通
常以毫瓦（mW）为单位。
不同类型的半导体激光器具有不同的输出
功率，可以从几毫瓦到数百毫瓦不等。
3. 调制带宽，调制带宽是指半导体激光器可以进行调制的频率
范围，这对于一些需要进行调制的应用非常重要，比如光通信领域。
4. 工作温度范围，半导体激光器的工作温度范围也是其重要参
数之一，不同的半导体材料和器件结构对温度的稳定性要求不同，
一般来说工作温度范围可以从零下几十摄氏度到上百摄氏度不等。
5. 调制深度，调制深度是指半导体激光器进行调制时输出光功
率的变化范围，通常以百分比表示。
调制深度越大，激光器的调制性能越好。
6. 散热要求，半导体激光器在工作过程中会产生热量，因此散热是一个重要的参数。
散热要求包括散热结构、散热材料和散热性能等方面。
总的来说，半导体激光器的参数涉及到光学、电学、热学等多个方面，不同的应用对其参数有不同的要求，因此在选择和设计半导体激光器时需要综合考虑这些参数。
小功率半导体激光二极管的稳定控制及其在原子实验中的应用_百度(精)
10・激光器件与元件・《激光杂志》2003年第24卷第5期LASER JOURNA L (V ol. 24. N o. 5. 2003小功率半导体激光二极管的稳定控制及其在原子实验中的应用孙番典杨世琪刘琼发(华南师范大学物理系, 广州510631提要:介绍一种高稳定的半导体激光二极管恒温、稳流控制方式。
使用该方式电路, 10-5, 温度波动优于10-4。
并介绍高稳定半导体二极管激光在原子超精细跃迁线形吸收谱和塞曼相干共振谱观测中的应用。
关键词:半导体激光二极管, 恒温稳流, 线性吸收谱线, 塞曼相干共振谱线A stabilite control method for low pow er semiconductor laser it ’s experimentsSun Fandian Yang Shiqi (S outh China N ormal ,GAbstract :Introduceda set of high stable control circuits for case of iconductor laser diode. Using the circuits ,the fluctu 2ation of injection current is 10-5and the fluctuation of perature better 10the room tem perature. An application of the diode laser in atom ic experiments als o be introduced.K ey w ords :sem,tem ,linear abs orb spectrum line ,Z eeman coherent res onance spectrum line1引言Ξ值, 可置半导体激光二极管工作于不同的注入电流值。
将可调基准电压与流经半导体激光二极管的注入电流回路的取样放大信号电压一起输入比例放大器, 由比例放大器的输出控制场效应调整管的门电极(栅极。
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实验报告
实验名称：半导体激光器稳频指导教师：
姓名：
专业：
学号：
一、实验目的
1. 了解光栅外腔反馈半导体激光器的内部结构和基本操作；
2. 理解影响半导体激光器频率稳定性的因素；
3. 熟悉稳频的基本原理、步骤及操作；
4. 掌握标定激光器频率起伏的方法。
二、实验仪器
Toptica 光栅外腔反馈式半导体激光器、饱和吸收光谱、锁频模块、示波器
三、实验原理
稳频的基本思想
影响半导体激光器频率稳定性的因素包括LD 温度、注入电流、外腔机械结构等。
因此，对半导体激光器采用恒温、恒流、防震、密封等措施后，其频率稳定度可以提高到一个量级，但再进一步提高，将受温度控制极限的限制。
因此必须采用进一步的稳频措施。
激光稳频技术通常是采用电子伺服系统控制激光的频率抖动。
主要原理是：当激光频率偏离标准频率时，由鉴频器给出误差信号，通过伺服系统和压电元件控制激光器的外腔长，使激光频率自动回到标准频率上。
鉴频原理
我们将实验七所得的饱和吸收光谱信号输入到锁频模块中，信号被放大后选择高通滤波，滤去直流部分和电源主频对信
号的干扰。
然后锁频模块内置的信号源对激光器的频率进行调制，调制频率记为mod f ，调制幅度记为ω∆。
设激光的初始频率为0ω，那么调制后的激光频率为：
)2sin()(mod 0t f t ⨯⨯⨯∆+=πωωω
进入探测器的饱和吸收谱信号近似为：
)2sin()()(mod 00t f S S t S ⨯⨯⨯∆⨯'+=πωω 这样的信号在锁频模块内部被自己的调制信号进行检波 )4cos()()2sin()(2
1)]2sin()[()2sin()2sin()(mod 0mod 002mod 0mod 0mod t f S t f S S t f S t f S t f t S ⨯⨯⨯∆⨯'-⨯⨯+∆⨯'⨯=⨯⨯⨯∆'+⨯⨯⨯=⨯⨯⨯πωωπωωπωωππ
检波后的信号再送入低通滤波器，目的是滤掉所有与时间有关的高频项。
锁频模块输出的即为鉴频曲线信号（Lock -in output ）：
()ωωπ∆⨯'⨯=⨯⨯⨯0mod 2
1)]2sin()([S t f t S LowPass 4. 稳频过程
在半导体激光二极管上提供两种工作电流, 一种是驱动电路
提供的直流电流, 用以选择工作点, 另一种是由锁频模块内
f的正弦交流电, 使激光频率产生置信号源产生的频率为m od
f频
调制, 从而引起激光输出功率在吸收中心频率上以m od
ω上, 率变化。
如图8.3 示，如激光输出频率恰好在吸收频率0
该点为曲线的极点, 因此相敏检波器没有信号输出。
当激光振
ω左侧时, 则激光输出功率调制信号与信号源
荡频率位于0
输出的参考信号同相, 相敏检波器输出正电压, 控制压电陶
ω右侧时, 瓷上电压, 使激光输出频率增大。
当振荡频率位于0
则激光输出功率调制信号与信号源输出的参考信号反相, 相
敏检波器输出负电压, 控制压电陶瓷上电压，使激光输出频率
ω上。
减小，最终将激光器输出频率稳定于0
五、实验内容及步骤
1. 调节加在光栅外腔上压电陶瓷的三角波电压的偏置和幅度，对激光器频率进行扫描，得到对应于Cs 原子D2 线超精细跃迁的饱和吸收光谱，如图8.4 中的黑色曲线所示。
2. 将该信号输入锁频模块，对输入信号进行放大滤波，再通过相敏检波得到鉴频信号，如图8.4 中的蓝色曲线所示。
其中，对激光电流进行调制所加正弦波的频率、幅度以及低通的截止频率等参数需要精确调节以获得信噪比较高的鉴频曲线。
3. 将鉴频曲线调整到合适的反馈增益和带宽。
最后送入激光控制电路，将频率纠正信号负反馈到半导体激光器光栅外腔的PZT。
4. 减小三角波扫描信号幅度并调节偏置电压，直到三角波被彻底关闭，将激光器锁定到我们需要的超精细跃迁线上。
5. 标定锁定前后激光器的频率起伏，如图8.5 所示。
六、数据处理
1. 将饱和吸收光谱和鉴频信号放在一张图中，两条曲线共用一个横坐标，纵坐标采用双坐标显示，如图8.4 所示，并标出激光器锁定的跃迁能级。
（横坐标以频率显示，以铯原子某两条超精细谱线之间的频率间隔为参考标准）
得到铯原子饱和吸收光谱与鉴频曲线，实验中将峰锁定在
C4-4,5竞争峰处。
有图计算得斜率为
K=272
2. 定量标出激光器在自由运转和锁定时相同时间段内的频率起伏，如图
自由运转的频率起伏：6MHz
锁定后的频率起伏：±450KHz。