激光二极管原理及特性测试激光二极管原理及特性测试

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【【实验目的实验目的 Experimental PurposExperimental Purpos

ee 】】1. 了解 LD 产生激光的原理； 2. 熟悉激光二极管测试部分的装置。3. 了解 LD 的电学特性，包括正向电流、正向压降；

4. 对 LD 的极限参数有明确的概念，正确、安全的

使用 LD ； 5. 通过电学特性的测量，认识 LD 的发光机理。

【【实验原理实验原理 Experimental PrincipleExperimental Principle 】】

• 激光二极管的诞生被视为本世纪的三大发明之一（以及半导体和原子能）。和其他激光器相比，半导体激光二极管具有体积小、重量轻、低功率驱动、高效率输出、调制方便、寿命长、易集成等一系列优点，因而得到了广泛的应用。

• 本实验测量的是 F － P 型 LD 。

半导体激光器的激射条件半导体激光器的激射条件

(1)(1)有源区里实现足够的粒子数反转分布有源区里实现足够的粒子数反转分布 当处于 当处于高能级上的电子数高能级上的电子数 NN22 大于处于低能级上的电子数 大于处于低能级上的电子数

NN1 1 时，受激辐射占据主导地位，光被放大。 时，受激辐射占据主导地位，光被放大。 NN22

> N> N1 1 的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况（外界激励），通常称为粒子数反转分布，或况（外界激励），通常称为粒子数反转分布，或布局反转。布局反转。

(2) (2) 存在光学谐振机理，并在有源区里建立起稳定存在光学谐振机理，并在有源区里建立起稳定的振荡的振荡

MM11

MM22

光学振荡光学振荡

禁带禁带(a) (a) 利用晶体天然解理面形成法利用晶体天然解理面形成法布里布里 -- 珀罗谐振珀罗谐振 (F-P)(F-P) 腔腔

(b) (b) 利用有源区一侧的周期性波利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合形成光振荡纹结构提供光耦合形成光振荡(( 分布反馈型分布反馈型 DFB, DFB, 分布布喇格反分布布喇格反射型射型 DBR)DBR)

制作材料：制作材料：

直接带隙的直接带隙的半导体材料半导体材料

发射波长发射波长

hchc / / EEgg

EE

)(

1.24=m)(

eVEg

F-PF-P 腔激光器腔激光器

(1) F-P(1) F-P 腔的作用—建立光振荡腔的作用—建立光振荡

振幅条件：使激光器成为阈值器件振幅条件：使激光器成为阈值器件

e e (th- )2L •• RR = 1 = 1

thth ：阈值时增益系数：阈值时增益系数 ： 谐振腔内部工作物质的损耗系数： 谐振腔内部工作物质的损耗系数 L L ： 谐振腔腔长： 谐振腔腔长 RR ： 谐振腔两镜面反射率之积， ： 谐振腔两镜面反射率之积， RR ＝＝ RR11 R R22

增加增益的方法：加大注入电流增加增益的方法：加大注入电流 (( ) ) = (NN22 - N - N11)C

2 g() / (8n22sp)

【【实验仪器实验仪器 Experimental DeviceExperimental Device 】】

1. 半导体发光器件及驱动电源——发光二极（ LED ）、激光二极管（ LD ）等；

2. 光电探测器及驱动电源3. 光栅单色仪一套； 4. 计算机实验软件（计算机由用户自备）； 5. 实验组合光学系统及平台（一套）

【【实验步骤实验步骤 Experimental SteExperimental Ste

pp 】】

LD 电学特性测试原理图

1. 复习 LED 特性测试部分用到的装置，按照第一部分实验的步骤在控制面板上连线；

2. 将装有 650nmLD 胶木棒的引出线接到面板上“正向电压”端口，接通电源，缓慢调节旋钮，观察到有激光发出，注意其发光亮度的变化（与电流对照）。驱动电流不能超过给定 LD 的 60mA ；

3. 将胶木棒固定在单色仪入口位置圆筒内，入口狭缝调到最大。启动单色仪，运

4. 行步进电机开始扫描，观察出口狭缝的出光情况； 5. 分别对 650nmLD ， 980nmLD 进行测量伏安特性。

思考题 1 ． 简介中提到 LD“ 带隙宽度必须满足发射波长的要求”，这个要求是什么？

2 ． 简述 LD 受激发光机理，分析 F － P 型和 DFB 型 LD 的异同。