半導體激光器的安全使用操作.docx

實驗一 半導體激光器的安全使用操作一、實驗?zāi)康?熟悉半導體激光器的一般常識。 掌握半導體激光器的安全使用及操作。 熟悉半導體激光器波導腔的特性及輸出偏振特性。 了解PN結(jié)平面及快慢軸方向的分辨。 熟悉半導體激光器的出廠技術(shù)參數(shù)。二. 半導體激光器原理及常識介紹 2.1運行機理 對于典型的雙異質(zhì)結(jié)半導體器激光器是靠PN結(jié)正向注入和載流子的復合發(fā)光的，要使它發(fā)射激光需具備的條件是：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；有合適的光諧振腔起反饋作用；滿足一定的閥值條件。 對于條件一般是采用簡并的P型和N型半導體構(gòu)成PN結(jié)，大量的載流子注入PN結(jié)區(qū)，成為反轉(zhuǎn)分布區(qū)。對于條件結(jié)型半導體激光器的光諧振腔通常用與PN結(jié)平面相垂直的自然解理面構(gòu)成的平面腔。在作用區(qū)內(nèi)，開始時導帶中的電子自發(fā)地躍遷到價帶和空穴復合，產(chǎn)生相位/方向并不相同的光子，大部分光子一產(chǎn)生便穿出PN結(jié)區(qū)，但也有一部分光子在PN結(jié)區(qū)平面內(nèi)穿行，并且在PN結(jié)內(nèi)行進相當長的距離，因而它們能夠激發(fā)產(chǎn)生許多同樣的光子。這些光子在兩個平行的平面鏡間不斷地來回反射，每反射一次就得到進步的放大。這樣不斷地重復和發(fā)展，就使得這種輻射趨于占壓倒的優(yōu)勢，即輻射逐漸集中到平面鏡上，而且方向垂直于反射面，形成激光輸出。對于條件半導體激光器的閥值電流密度為 （3-1） 其中、分別為增益因子與損耗因子；為諧振腔的長度，R1、R2為兩腔鏡的反射率。2. 2波導腔的特性 半導體激光器其腔結(jié)構(gòu)可看成是一波導腔，在垂直于P-N結(jié)平面方向（橫向）一般為對稱或非對稱三層波導結(jié)構(gòu)，為降低閾值，其有源層厚度僅為0.10.2 m左右。根椐平板波導原理，在該波導中只允許基模傳輸，即其輸出為基橫模，輸出偏振為TE，且發(fā)散角很大。而在平行于P-N結(jié)平面方向（側(cè)向），一般為增益導引結(jié)構(gòu)，其輸出模式稱為側(cè)模，空間分布往往非常復雜，輸出多模振蕩，并隨著注入電流增加，振蕩模數(shù)也增加。2. 3制造常識 半導體激光器諧振腔最常用的是由垂至于PN結(jié)的兩個嚴格互相平行的（110）解理面構(gòu)成F-P諧振腔，腔長一般為200 m500 m。半導體材料的折射率都很高，如GaAs的折射率3.6，兩個解理面在不鍍膜的情況下，也能獲得32的反射率。為了提高輸出功率和降低工作電流，一般使其中的一個反射面上鍍上全反膜，為改善性能，實際中往往采用多種形式的諧振腔，如短腔、分布反饋腔等。 圖3-1所示的半導體激光器是把pn結(jié)切成方塊，焊上電極，長方形的側(cè)面磨毛，其兩斷面是平行平面，形成FP腔，這兩個斷面可以是磨制而成的，一般直接利用晶體的解理面。當施加于激光器的電流超過閾值時，便產(chǎn)生激光輻射，散熱器用來降溫，以使激光二極管輸出穩(wěn)定的光強和穩(wěn)定的波長。這些早期的半導體激光器也稱之為邊緣發(fā)射半導體激光器(edge-emitting semiconductor laser)，因其狹窄的斷面使得它的輸出光束截面不是圓形的，而是橢圓形的，而且其發(fā)散角較大。 圖3-1 半導體激光器結(jié)構(gòu)示意圖由上圖可以看出，由出射激光的光斑即可判斷這種邊緣發(fā)射半導體激光器的結(jié)平面方向。發(fā)散角較大的方向，如圖上的Y方向，它與結(jié)平面方向垂直，又稱為橫向；而發(fā)散角較小的方向，如圖上的X方向，為與結(jié)平面平行的方向，又稱為側(cè)向。我們一般稱發(fā)散角較大的方向為快軸方向，由于在該方向上是基橫模振蕩，因此我們把快軸又稱為高相干軸。而發(fā)散角較小的方向則稱為慢軸方向，由于在該方向上是多側(cè)模振蕩，因此我們把慢軸又稱為低相干軸。近幾年利用集成電路技術(shù)，研制了一種所謂垂直腔表面發(fā)射半導體激光器（vertical cavity surface-emitting semiconductor laser簡稱VCSELs），克服了邊緣發(fā)射半導體激光器的缺點。它能夠在同一塊板上集成一百萬只小激光器，其激發(fā)電流僅1mA，VCSELs的商品化將帶來光電腦的革新，有助于實現(xiàn)人工智能；并將帶來光纖通信聯(lián)網(wǎng)的革新等。這種表面發(fā)射半導體激光器的重要特征之一，是從垂直于半導體薄片的方向發(fā)射激光，這樣就使激光束的截面成為圓形，并且激光器的發(fā)散角減小了，從而克服了原來從半導體側(cè)面發(fā)射激光的缺點。有興趣的同學可參看半導體激光器方面的資料，本實驗不涉及VCSEL激光器。對于典型的雙異質(zhì)結(jié)邊發(fā)射半導體器激光器，從輸出功率來分，可分為LD(Laser Diode) 、LDA(Laser Diode Array) 、LD Bar(Laser Diode Bar)及LD Stack(Laser Diode Stack)。對單管LD，其發(fā)光面尺寸一般約為1 m 3 m,由于腔內(nèi)激光功率密度過高，可能造成腔鏡膜層的破壞，因此其輸出功率小于200 mW。因此，為了增加激光輸出功率，只能增加激光器的側(cè)向長度，由此發(fā)展了LD Array, 其發(fā)光面尺寸一般可達到1 m 50 m 至 1 m 700 m, 功率可達到7 W。進而發(fā)展了LD Bar, 其發(fā)光面尺寸一般為1 m 1 cm,功率可達幾十瓦。更大功率的半導體激光器則采用了一維及二維LD Stack,它是由多個LD Bar排列起來的，制造中考慮了器件的散熱情況。 2. 4 半導體激光器的出廠技術(shù)參數(shù) 每只半導體激光器在出廠時都會附有一份出廠技術(shù)參數(shù)，基本包含以下內(nèi)容：產(chǎn)品系列的編號等內(nèi)容，包括：Module；Serial No；Chip No。對應(yīng)激光器的工作特性，包括：Po(最大輸出功率)(W)；Ith(閾值電流)(A)；Io(最大工作電流)(A)；Vo(工作電壓)(V)；Es(斜效率)(W/A)；Ep(量子效率)(%)；對應(yīng)激光器的輸出特性：中心波長0(nm)及光譜曲線；(慢軸發(fā)散角)(deg)（FWHM）；(快軸發(fā)散角)(deg)（FWHM）；測試條件：Tc(溫度)()實驗中所用的半導體激光器技術(shù)參數(shù)均可以從計算中查閱。首先在半導體激光器電源的外殼上找到其相應(yīng)的固定資產(chǎn)號碼（此號碼也能在LD的散熱片上找到），然后在D:光電子學實驗LD技術(shù)參數(shù) 目錄下打開文件“LD與固定資產(chǎn)號碼對應(yīng)表”，查到LD管子的Chip No.，再打開該管子號碼相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)文件（.pdf文件）。 2. 5 安全使用及操作 2. 5. 1 半導體激光器 半導體激光器，由于它價格昂貴，操作麻煩，一不小心就會損壞，所以要千萬小心。我們從以下幾個方面要求大家了解半導體激光器的一般安全知識并遵守操作規(guī)程。（1） 激光二極管很容易受到正向浪涌或靜電而擊穿，導致永久損壞。為了高效的、且可在低電壓下驅(qū)動激光二極管，必須閾值電流（）低、微分量子效率（）高，如此則加大了靜電擊穿的可能性。比如我們直接用手接觸沒有任何保護措施的半導體激光器，立即導致管子的靜電擊穿。而正向浪涌能導致發(fā)光端面擊穿（光學性擊穿），這種擊穿大多數(shù)是因為自動功率控制電路的設(shè)計不良（偏移調(diào)整、振蕩、接觸不良、雜散電容等），比如由于電流無緩慢啟動裝置，因上升瞬態(tài)特性而被正向浪涌擊穿；或者當激光二極管工作時，在旁接通同一交流線上的熒光燈開關(guān)時，突然產(chǎn)生浪涌，激光二極管一瞬間為過電流擊穿。 在使用半導體激光器時應(yīng)采取以下一些措施：a) 必須使用具有電流緩慢啟動裝置的驅(qū)動電源。b) 當我們必須用手直接操作半導體激光器（如連線焊接或接插件插抜）前，人體必須通過500K歐姆1000K歐姆的高電阻和大地連接。具體做法是：先將手平放在鐵制平臺上，以消除人體上的靜電；然后把已接地的1M電阻纏在手腕上（有專用工具）或者至少要帶上防靜電的橡膠手套。c) 電烙鐵須良好接地或電烙鐵加熱后焊接激光二極管前先斷開交流電源。d) 在裝運過程中應(yīng)注意選用摩擦不產(chǎn)生放電的包裝材料，盡量用導電材料或鋁箔，一般PN結(jié)應(yīng)短路以確保運輸安全?；蛘呷舭雽w激光器長時間不用，PN結(jié)也應(yīng)短路。e) 激光二極管遠離高頻源。（2）光電子學實驗選用了波長為800 nm左右，功率為500 mW的GaAlAs半導體激光器，并選用了HH-V型半導體激光器驅(qū)動電源。系統(tǒng)除具有多重安全保護措施（如在半導體激光器的散熱片上安置了LD的短路開關(guān)等）外，還能提供半導體制冷(或制熱)實現(xiàn)半導體激光器的溫度控制。在實際操作中必須注意以下幾點：a) 電源的驅(qū)動電流必須小于半導體激光器技術(shù)參數(shù)中的額定最大值，即610 mA 左右（以各管子的技術(shù)參數(shù)為準）。b) 電源的“開”或“關(guān)”可能產(chǎn)生尖峰電流會直接損傷激光二極管，因此每次在電源的“開”或“關(guān)”操作前必須先把電流調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)至最小（電流調(diào)節(jié)鈕為多圈電位器，調(diào)節(jié)時應(yīng) 反時針 旋轉(zhuǎn)到不能轉(zhuǎn)動時為止），并且關(guān)掉LD工作開關(guān)（即短路LD）。同樣在“開啟”或“關(guān)掉”LD工作開關(guān)前也必須先把電流調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)至最小。c) 半導體激光器通常在室溫下工作，其溫度一般設(shè)定在20C25C左右。過高的溫度將導致其發(fā)光效率的下降及管子壽命的快速降低。d) 為延長LD管子的壽命，在沒有必要的情況下，LD驅(qū)動電流不要過大。 2. 5.2 HH-V型半導體激光器電源 HH-V型半導體激光器電源輸出電流穩(wěn)定、具有電流緩慢啟動裝置、抗干擾性能強，能保證半導體激光器安全可靠地工作。它的輸出電流范圍為60680 mA，電流指示值誤差，電流穩(wěn)定度為。它還能驅(qū)動半導體制冷(或制熱)器實現(xiàn)LD的溫度控制。HH-V型半導體激光器電源的使用操作說明如下。操作面板如圖3-2所示。1、輸出電流顯示 2、輸出電流調(diào)節(jié)旋鈕 3、溫度控制調(diào)節(jié)旋鈕 4、LD工作開關(guān) 5、電源開關(guān)圖3-2 半導體激光器電源的操作面板在實驗中該電源和激光二極管的使用要嚴格按照操作規(guī)程來進行，否則容易損壞半導體激光器。具體的操作步驟如下 ：1) 打開電源開關(guān)前，先確認LD工作開關(guān)處在“關(guān)閉”狀態(tài)，此時其紅色指示燈不亮，并 反時針 將電流調(diào)節(jié)旋鈕擰到頭。2）打開電源開關(guān)前，先調(diào)節(jié)LD的溫度設(shè)定至20C25C范圍內(nèi)。每臺LD電源的溫度調(diào)節(jié)刻度（多圈電位器，讀數(shù)0100）與設(shè)定溫度之間的關(guān)系請同學們在計算機中查閱：在D:光電子學實驗LD溫度與調(diào)節(jié)刻度的關(guān)系 目錄下打開與LD電源固定資產(chǎn)號碼對應(yīng)的文件（.opj文件），固定資產(chǎn)號碼可容易地在半導體激光器電源的外殼上（或LD的散熱片上）找到。3）把電源（黑色船形開關(guān)）打開，電流輸出顯示為 0 mA。此時溫度控制器即開始工作，一般24分鐘LD的溫度就到達你所設(shè)定的溫度。4) 開啟LD的短路開關(guān)（LD的短路開關(guān)安置在半導體激光器的散熱片上，開關(guān)向上為短路狀態(tài)，向下為正常工作狀態(tài)），打開LD工作開關(guān)（紅色船形開關(guān)），紅色指示燈亮，緩慢擰動電流調(diào)節(jié)旋鈕，將電流調(diào)至所需值。若驅(qū)動電流大于半導體激光器的閾值，此時應(yīng)有激光輸出（由于LD輸出為近紅外光，本實驗用頻率上轉(zhuǎn)換材料制成的激光顯示片來觀察半導體激光器的輸出，轉(zhuǎn)換后顯示為黃色），同時由于激光輸出而導致發(fā)熱，2分鐘后溫度自動到達設(shè)定值并穩(wěn)定下來。注意: 1。在調(diào)節(jié)電流時，大于500mA后電流上升非?？?，請謹慎調(diào)節(jié)，以免驅(qū)動電流超過半導體激光器最大工作電流，損壞激光器。驅(qū)動電流不要大于610mA。2當實驗環(huán)境溫度很高（如29）及空氣潮濕時，由于設(shè)定溫度及環(huán)境溫度的溫差，可能造成LD保護窗口結(jié)露，影響激光輸出。此時只能調(diào)高LD設(shè)定溫度，待溫度穩(wěn)定后，用擦鏡紙把LD保護窗口擦干。4) 使用完畢，先將電流調(diào)節(jié)反時針旋至最小值，“關(guān)掉”LD工作開關(guān)，紅色指示燈熄滅，“關(guān)閉”電源開關(guān)，“短路”半導體激光器（短路開關(guān)向上）。警告：HH-V型半導體激光器電源和半導體管子的連線已連接好，嚴禁拆卸該接插件。三實驗內(nèi)容 1仔細閱讀實驗中所用半導體管子的出廠技術(shù)參數(shù)（從計算機中查閱：首先在半導體激光器電源的外殼上找到其相應(yīng)的固定資產(chǎn)號碼（該號碼也能在LD的散熱片上找到），然后在 D:光電子學實驗LD技術(shù)參數(shù) 目錄下打開文件“LD與固定資產(chǎn)號碼對應(yīng)表”，查到LD管子的Chip No.，再打開該管子號碼相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)文件（.pdf文件），理解各項指標的含義。并填寫下表：閾值電流：=最大工作電流：最大輸出功率：外微分量子效率：輸出功率公式 P=輸出中心波長： nm垂直PN結(jié)平面（快軸）的發(fā)散角（FWHM）：平行PN結(jié)平面（慢軸）的發(fā)散角（FWHM）：2仔細閱讀半導體激光器及HH-V型半導體激光器電源的安全使用知識及操作規(guī)程。嚴格按照操作順序進行半導體激光器的“開” 、“關(guān)”等操作，做到操作正確、熟練。3嚴格按照半導體激光器電源的使用步驟，打開電源，調(diào)節(jié)半導體激光器驅(qū)動電流到2倍閾值電流。4由于LD輸出為近紅外光，本實驗用頻率上轉(zhuǎn)換材料制成的激光顯示片來觀察半導體激光器的輸出，轉(zhuǎn)換后顯示為黃色。用激光顯示片觀察半導體激光器發(fā)射的激光光斑。判斷快軸和慢軸方向，確定半導體激光器