半导体激光器的安全使用操作

实验一半导体激光器的安全使用操作一、实验目的

?熟悉半导体激光器的一般常识。

?掌握半导体激光器的安全使用及操作。

?熟悉半导体激光器波导腔的特性及输出偏振特性。

?了解PN结平面及快慢轴方向的分辨。

?熟悉半导体激光器的出厂技术参数。

二. 半导体激光器原理及常识介绍

2.1运行机理

对于典型的双异质结半导体器激光器是靠PN结正向注入和载流子的复合发光的，要使它发射激光需具备的条件是：①粒子数反转分布；②有合适的光谐振腔起反馈作用；③满足一定的阀值条件。对于条件①一般是采用简并的P型和N型半导体构成PN结，大量的载流子注入PN结区，成为反转分布区。对于条件②结型半导体激光器的光谐振腔通常用与PN 结平面相垂直的自然解理面构成的平面腔。在作用区内，开始时导带中的电子自发地跃迁到价带和空穴复合，产生相位/方向并不相同的光子，大部分光子一产生便穿出PN结区，但也有一部分光子在PN结区平面内穿行，并且在PN结内行进相当长的距离，因而它们能够激发产生许多同样的光子。这些光子在两个平行的平面镜间不断地来回反射，每反射一次就得到进－步的放大。这样不断地重复和发展，就使得这种辐射趋于占压倒的优势，即辐射逐渐集中到平面镜上，而且方向垂直于反射面，形成激光输出。对于条件③半导体激光器的阀值电

流密度为（3-1）

其中、分别为增益因子与损耗因子；为谐振腔的长度，R1、R2为两腔镜的反射率。

2. 2波导腔的特性

半导体激光器其腔结构可看成是一波导腔，在垂直于P-N结平面方向（横向）一般为对称或非对称三层波导结构，为降低阈值，其有源层厚度仅为0.1～0.2 μm左右。根椐平板波导原理，在该波导中只允许基模传输，即其输出为基横模，输出偏振为TE，且发散角很

大。而在平行于P-N结平面方向（侧向），一般为增益导引结构，其输出模式称为侧模，空间分布往往非常复杂，输出多模振荡，并随着注入电流增加，振荡模数也增加。

2. 3制造常识

半导体激光器谐振腔最常用的是由垂至于P－N结的两个严格互相平行的（110）解理面构成F-P谐振腔，腔长一般为200 μm~500 μm。半导体材料的折射率都很高，如GaAs的折射率η＝3.6，两个解理面在不镀膜的情况下，也能获得32％的反射率。为了提高输出功率和降低工作电流，一般使其中的一个反射面上镀上全反膜，为改善性能，实际中往往采用多种形式的谐振腔，如短腔、分布反馈腔等。

图3-1所示的半导体激光器是把p－n结切成方块，焊上电极，长方形的侧面磨毛，其两断面是平行平面，形成F－P腔，这两个断面可以是磨制而成的，一般直接利用晶体的解理面。当施加于激光器的电流超过阈值时，便产生激光辐射，散热器用来降温，以使激光二极管输出稳定的光强和稳定的波长。这些早期的半导体激光器也称之为边缘发射半导体激光器(edge-emitting semiconductor laser)，因其狭窄的断面使得它的输出光束截面不是圆形的，而是椭圆形的，而且其发散角较大。

图3-1 半导体激光器结构示意图

由上图可以看出，由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。发散角较大的方向，如图上的Y方向，它与结平面方向垂直，又称为横向；而发散角较小的方向，如图上的X方向，为与结平面平行的方向，又称为侧向。

我们一般称发散角较大的方向为快轴方向，由于在该方向上是基横模振荡，因此我们把快轴又称为高相干轴。而发散角较小的方向则称为慢轴方向，由于在该方向上是多侧模振荡，因此我们把慢轴又称为低相干轴。

近几年利用集成电路技术，研制了一种所谓垂直腔表面发射半导体激光器（vertical cavity surface-emitting semiconductor laser简称VCSELs），克服了边缘发射半导体激

光器的缺点。它能够在同一块板上集成一百万只小激光器，其激发电流仅1mA，VCSELs的商品化将带来光电脑的革新，有助于实现人工智能；并将带来光纤通信联网的革新等。这种表面发射半导体激光器的重要特征之一，是从垂直于半导体薄片的方向发射激光，这样就使激光束的截面成为圆形，并且激光器的发散角减小了，从而克服了原来从半导体侧面发射激光的缺点。有兴趣的同学可参看半导体激光器方面的资料，本实验不涉及VCSEL激光器。

对于典型的双异质结边发射半导体器激光器，从输出功率来分，可分为LD(Laser Diode) 、LDA(Laser Diode Array) 、LD Bar(Laser Diode Bar)及LD Stack(Laser Diode Stack)。对单管LD，其发光面尺寸一般约为1 μm ′ 3 μm,由于腔内激光功率密度过高，可能造成腔镜膜层的破坏，因此其输出功率小于200 mW。因此，为了增加激光输出功率，只能增加

激光器的侧向长度，由此发展了LD Array, 其发光面尺寸一般可达到1 μm ′ 50 μm 至 1 μm ′ 700 μm, 功率可达到7 W。进而发展了LD Bar, 其发光面尺寸一般为1 μm ′ 1 cm,功率可达几十瓦。更大功率的半导体激光器则采用了一维及二维LD Stack,它是由多个LD Bar排列起来的，制造中考虑了器件的散热情况。

2. 4 半导体激光器的出厂技术参数

每只半导体激光器在出厂时都会附有一份出厂技术参数，基本包含以下内容：

产品系列的编号等内容，包括：Module；Serial No；Chip No。对应激光器的工作特性，包括：Po(最大输出功率)(W)；Ith(阈值电流)(A)；Io(最大工作电流)(A)；Vo(工作电压)(V)；Es(斜效率)(W/A)；Ep(量子效率)(%)；对应激光器的输出特性：中心波长0(nm)及光谱曲线；(慢轴发散角)(deg)（FWHM）；(快轴发散角)(deg)（FWHM）；测试条件：Tc(温度)()实验中所用的半导体激光器技术参数均可以从计算中查阅。首先在半导体激光器

电源的外壳上找到其相应的固定资产号码（此号码也能在LD的散热片上找到），然后在D:光电子学实验LD技术参数目录下打开文件“LD与固定资产号码对应表”，查到LD管子的Chip No.，再打开该管子号码相应的技术参数文件（.pdf文件）。

2. 5 安全使用及操作

2. 5. 1 半导体激光器

半导体激光器，由于它价格昂贵，操作麻烦，一不小心就会损坏，所以要千万小心。我们从以下几个方面要求大家了解半导体激光器的一般安全知识并遵守操作规程。

（1）激光二极管很容易受到正向浪涌或静电而击穿，导致永久损坏。为了高效的、且可在低电压下驱动激光二极管，必须阈值电流（）低、微分量子效率（）高，如此则加大了静电击穿的可能性。比如我们直接用手接触没有任何保护措施的半导体激光器，立即导致管子的静电击穿。而正向浪涌能导致发光端面击穿（光学性击穿），这种击穿大多数是因为自动功率控制电路的设计不良（偏移调整、振荡、接触不良、杂散电容等），比如由于电流无缓慢启动装置，因上升瞬态特性而被正向浪涌击穿；或者当激光二极管工作时，在旁接通同一交流线上的荧光灯开关时，突然产生浪涌，激光二极管一瞬间为过电流击穿。在使用半导体激光器时应采取以下一些措施：

a) 必须使用具有电流缓慢启动装置的驱动电源。

b) 当我们必须用手直接操作半导体激光器（如连线焊接或接插件插抜）前，人体必须通过500K欧姆～1000K欧姆的高电阻和大地连接。具体做法是：先将手平放在铁制平台上，以消除人体上的静电；然后把已接地的1MΩ电阻缠在手腕上（有专用工具）或者至少要带上防静电的橡胶手套。

c) 电烙铁须良好接地或电烙铁加热后焊接激光二极管前先断开交流电源。

d) 在装运过程中应注意选用摩擦不产生放电的包装材料，尽量用导电材料或铝箔，一般PN结应短路以确保运输安全。或者若半导体激光器长时间不用，PN结也应短路。

e) 激光二极管远离高频源。

（2）光电子学实验选用了波长为800 nm左右，功率为500 mW的GaAlAs半导体激光器，并选用了HH-V型半导体激光器驱动电源。系统除具有多重安全保护措施（如在半导体激光器的散热片上安置了LD的短路开关等）外，还能提供半导体制冷(或制热)实现半导体激光器的温度控制。在实际操作中必须注意以下几点：

a) 电源的驱动电流必须小于半导体激光器技术参数中的额定最大值，即610 mA 左右（以各管子的技术参数为准）。

b) 电源的“开”或“关”可能产生尖峰电流会直接损伤激光二极管，因此每次在电源的“开”或“关”操作前必须先把电流调节旋钮调至最小（电流调节钮为多圈电位器，调节时应反时针旋转到不能转动时为止），并且关掉LD工作开关（即短路LD）。同样在“开启”或“关掉”LD工作开关前也必须先把电流调节旋钮调至最小。

c) 半导体激光器通常在室温下工作，其温度一般设定在20?C～25?C左右。过高的温度将导致其发光效率的下降及管子寿命的快速降低。

d) 为延长LD管子的寿命，在没有必要的情况下，LD驱动电流不要过大。

2. 5.2 HH-V型半导体激光器电源

HH-V型半导体激光器电源输出电流稳定、具有电流缓慢启动装置、抗干扰性能强，能保证半导体激光器安全可靠地工作。它的输出电流范围为60～680 mA，电流指示值误差，电流稳定度为。它还能驱动半导体制冷(或制热)器实现LD的温度控制。HH-V型半导体激光器电源的使用操作说明如下。

操作面板如图3-2所示。

1、输出电流显示

2、输出电流调节旋钮

3、温度控制调节旋钮

4、LD工作开关

5、电源开关

图3-2 半导体激光器电源的操作面板

在实验中该电源和激光二极管的使用要严格按照操作规程来进行，否则容易损坏半导体激光器。具体的操作步骤如下：

1) 打开电源开关前，先确认LD工作开关处在“关闭”状态，此时其红色指示灯不亮，并反时针将电流调节旋钮拧到头。

2）打开电源开关前，先调节LD的温度设定至20?C～25?C范围内。每台LD电源的温度调节刻度（多圈电位器，读数0～100）与设定温度之间的关系请同学们在计算机中查阅：在D:光电子学实验LD温度与调节刻度的关系目录下打开与LD电源固定资产号码对应的文件（.opj文件），固定资产号码可容易地在半导体激光器电源的外壳上（或LD的散热片上）找到。

3）把电源（黑色船形开关）打开，电流输出显示为 0 mA。此时温度控制器即开始工作，一般2～4分钟LD的温度就到达你所设定的温度。

4) 开启LD的短路开关（LD的短路开关安置在半导体激光器的散热片上，开关向上为短路状态，向下为正常工作状态），打开LD工作开关（红色船形开关），红色指示灯亮，缓慢拧动电流调节旋钮，将电流调至所需值。若驱动电流大于半导体激光器的阈值，此时应有激光输出（由于LD输出为近红外光，本实验用频率上转换材料制成的激光显示片来观察半导体激光器的输出，转换后显示为黄色），同时由于激光输出而导致发热，2分钟后温度自动到达设定值并稳定下来。

注意: 1。在调节电流时，大于500mA后电流上升非常快，请谨慎调节，以免驱动电流超过半导体激光器最大工作电流，损坏激光器。驱动电流不要大于610mA。

2．当实验环境温度很高（如29℃）及空气潮湿时，由于设定温度及环境温度的温差，可能造成LD保护窗口结露，影响激光输出。此时只能调高LD设定温度，待温度稳定后，用擦镜纸把LD保护窗口擦干。

4) 使用完毕，先将电流调节反时针旋至最小值，“关掉”LD工作开关，红色指示灯熄灭，“关闭”电源开关，“短路”半导体激光器（短路开关向上）。

警告：HH-V型半导体激光器电源和半导体管子的连线已连接好，严禁拆卸该接插件。三．实验内容

1．仔细阅读实验中所用半导体管子的出厂技术参数（从计算机中查阅：首先在半导体激光器电源的外壳上找到其相应的固定资产号码（该号码也能在LD的散热片上找到），然后

在 D:光电子学实验LD技术参数目录下打开文件“LD与固定资产号码对应表”，查到LD管子的Chip No.，再打开该管子号码相应的技术参数文件（.pdf文件），理解各项指标的含义。并填写下表：

阈值电流：=

最大工作电流：＝

最大输出功率：＝

外微分量子效率：＝

输出功率公式 P=

输出中心波长：＝ nm

垂直PN结平面（快轴）的发散角（FWHM）：

平行PN结平面（慢轴）的发散角（FWHM）：

2．仔细阅读半导体激光器及HH-V型半导体激光器电源的安全使用知识及操作规程。严格按照操作顺序进行半导体激光器的“开” 、“关”等操作，做到操作正确、熟练。

3．严格按照半导体激光器电源的使用步骤，打开电源，调节半导体激光器驱动电流到2倍阈值电流。

4．由于LD输出为近红外光，本实验用频率上转换材料制成的激光显示片来观察半导体激光器的输出，转换后显示为黄色。用激光显示片观察半导体激光器发射的激光光斑。判断快轴和慢轴方向，确定半导体激光器结平面方向及输出偏振方向。快轴方向为；慢轴方向为；PN结平面方向为；输出偏振方向

为。

注意：当实验环境温度很高（如29℃）及空气潮湿时，由于设定温度及环境温度的温差，可能造成LD保护窗口结露，影响激光输出。此时只能调高LD设定温度，待温度稳定后，

用擦镜纸把LD保护窗口擦干。

5．调节驱动电流从阈值到3倍阈值电流或3.5倍阈值电流，观察慢轴方向发散角的变化情况。驱动电流越大，慢轴方向发散角，表明振荡模式。

6．按操作步骤，关闭激光器和电源。

四．思考题

?为什么说边发射半导体激光器在垂直于结平面方向是单横模工作的？

?使用半导体激光器需要注意哪些问题？