激光实验六半导体激光器激光谱线特性的测量

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1、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

2、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，

3、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fE()和fE()以eh及不同的准费米能级E和E。n区的电子会经过p-n结向p区运动，p区的空FnFp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。图3

4、是直接带隙半导体在动量空间中的能级图。横坐标表示准动量。用以说明电子和空穴在能带中的分布情况。发光强度Ih(ν)与导带的态密度DE()，价带的态密度DE()，导带中的电子eh费米分布概率fE()以及价带中空穴的费米分布概率fE()有关。ehIh(ν)−DEfEDEh()()(−ν)(fEhdE−ν)∫eehh在低载流子密度，经典极限下：1/2Ih(ν)∝(hν−E)exp((−hν−E)/kT)ggB要求hν>Eg图4是电子空穴对符合发光的光谱。虚线D表示能带的态密度。光谱有一个发光峰，有一定的宽度，峰值位置和峰的宽度都与温

5、度有关。在高载流子密度的简并情况下，则需要进一步考虑费米分布。半导体激光器能够产生激光振荡，要求受激辐射大于受激吸收。其必要条件是电子和空穴处于非平衡态，以达到粒子数反转。通过电流注入或是光激发的方式，可以产生非热平衡分布，使得：E−E>hv>EFnFpg这样一来，半导体介质就能对激光进行增益放大。在实际的半导体激光器中，发光机理也可以不是电子-空穴复合，而是激子发光，杂志发光等。发光激活区的结构也有多种形式，如双异质结，量子阱等。利用谐振腔的锁模功能将发光过程中的光场限制在少数几个模式中，让能量集中，光场增强，使得增益大于

6、损耗，就长生了受激辐射，达到半导体激光器的功能。在半导体激光器中，构成谐振腔的两个反射镜通常是半导体材料本身的解理面形成的两个端面。半导体与空气的界面反射率通常是30%左右。因为谐振腔的限制，在腔内满足驻波条件的电磁场处于特定的模式。激光将只能在这些模式的频率上产生。事实上，即使是每一种模式也有一定的线宽，但比材料发光光谱的线宽小很多。电流注入产生粒子数反转，在某一特定电流I时，在由谐振腔th确定的模式频率上，增益大于由吸收和散射造成的损耗以及在反射镜上的透射损失，则可以产生稳定的激光。稳定振荡条件是阈值增益g大于0。th继

7、续增加电流I，粒子数反转增加，电子和空穴的复合增加，则激光强度增加。输出激光的功率P满足：P∝(I−I)th比例因子与电子-空穴对向光子转化的量子效率、输出反射镜的透过率、光场模式与诸如电流去的重合、器件的结构等因素有关。2.半导体激光器的结构图5半导体激光器结构示意图端面发光条形半导体激光器的结构如图5。图中的有源层就是以上所讲的p-n结区，注入电流的方向和激光的传播方向已经在图中标出。由于半导体材料的折射率与空气的折射率相比较高，而且晶体的解理面很平整，故半导体材料的前后两个解理面正好构成谐振腔的两个反射镜。限制层，有源

8、层，反射面，以及条形的注入电流的区间决定了激光的传播方向和特性。激光束的空间分布分为横向模式和纵向模式。半导体激光器的激光谱线宽度是由多种因素决定的，主要有材料，腔长，功率，温度等。通常半导体激光器的腔长在几百到几千微米。另外半导体材料的自然解理面形成的反射面反射率只有30%左右。这些因素