（1）确定和调整激光束的出射方向，放置一个反射镜来延长光路。

（2）在光源前方L1处用光功率计检测，在与光轴垂直的某方向延正负轴测量并绘出光功率/位移曲线。

（3）由于光功率/位移曲线是高斯分布的，定义Pmax/e2为光斑边界，测量出L1位置的光斑直径D1。

（4）在后方L2处用光功率计同样测绘光强/位移曲线，并算出光斑直径D2。

（5）由于发散角度较小，可做近似计算，2?=D2-D1/L2-L1,便可以算出全发散角2?。 2.外腔He-Ne激光器偏振态验证

在外腔He-Ne激光器的谐振腔内由于放置了步儒斯特窗，限制了输出光片振态为垂直桌面的线偏振，因此，可在输出前方放置一个偏振片，通过旋转偏振片来分析外腔He-Ne激光器激光的偏振方向。

3. He-Ne激光器最佳工作电流的选择

由于He-Ne激光器的P-I曲线是峰值形式变化的，一根确定的管子可以通过调节工作电流来测定激光器的峰值输出功率，此时的电流读数便是He-Ne激光器的最佳工作电流。 4. 利用光栅方程验证波长。

我们所用的He-Ne激光器的波长是623.8nm, 通过光栅方程可以验证激光器的波长值。 （1） 观察衍射图样，统计出衍射级数j。

（2） 见图一，根据三角公式，计算出衍射角?。

（3） 由于光栅常数d已知，根据光栅方程可以计算出激光波长。 dsin??j?(j?0,?1,?2,?)

5. He-Ne激光器模式分析 （1）点燃激光器。

（2）调整光路，首先使激光束从光阑小孔通过，调整扫描干涉仪上下、左右位置，使光束正入射孔中心，再细调干涉仪板架上的两个方位螺丝，使从干涉仪腔镜反射的最亮的光点回到光阑小孔的中心附近，这时表明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。

（3）将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。接通放大器、锯齿波发生器、示波器的开关，观察示波器上的展现的频谱图，进一步细调干涉仪的两个方位螺丝，使谱线尽量强，噪声最小。

（4）改变锯齿波输出电压的峰值，看示波器上干涉序的数目有何变化，确定示波器上应展示的干涉序个数。根据干涉序个数和频谱的周期性，确定哪些模属于同一k序。 （5）根据自由光谱范围的定义，确定它所对应的频率间隔（即哪两条谱线间距为ΔvS.R. ）为减少测量误差，需要对x轴增幅，测出与ΔvS.R.相对应的标尺长度，计算出两者比值，即每厘米代表的频率间隔值。

（6）在同一干涉序k内观测，根据纵模定义对照频谱特征，确定纵模的个数，并测出纵模频率间隔ΔvΔq＝1。与理论值比较，检查辨认和测量的值是否正确。

（7）根据横模的频谱特征，在同一q纵模序内有几个不同的横模？测出不同的横模频率间隔ΔvΔm＋Δn，与理论值比较，检查辨认是否正确。代入公式（9），解出Δm＋Δn的值。 （8）确定横模频率增加的方向，请同学们思考一下，根据什么辨别？以便确定在同一q

纵模序内哪个模是高阶横模，哪个模是低阶横模，及它们间的强度关系。

（9）从激光器输出的反方向观察光斑形状，注意这时看到的应是它所有横模的迭加图，还需结合图中单一横模的形状加以分解，以便确定每个横模的模序m，n值。

（10）根据定义，测量扫描干涉序的精细常数F。为提高测量的准确度，需将示波器的x轴再增幅，此时可利用经过计算后已知的最靠近的模间隔数值找标尺，重新确定比值，即每厘米代表的频率间隔值。 6.He-Ne外腔激光器谐振腔调整

分别调整腔内的光阑开口大小（管径），反射膜片距离（腔长），膜片俯仰倾斜程度，体会出光功率、光斑图案（横模式花样）等激光参数的变化。并且练习从无光到有光的调腔过程（十字叉丝法）。

实验2 半导体激光器激光特性的测量

实验目的

1. 掌握使用光谱仪器测量半导体激光器激光谱线的方法。

P?I、2. 通过测量半导体激光器工作时的功率、电压、电流，学生通过这些参数画出P?V、I?V曲线，让学生了解半导体激光器的工作特性曲线。

3. 学会通过曲线计算半导体激光器的阈值，以及功率效率，外量子效应和外微分效应。并对三者进行比较。

4. 通过实验使实验者对半导体激光器的偏振态、发散角有更加深入的了解。

实验原理

1. 半导体激光器的工作原理

不考虑电源的话，一个激光器主要由两部分组成：一个是工作介质，用于产生受激辐射的电磁场；另一个是谐振腔，用于控制电磁波的传播特性，将电磁波限制于少数几个电磁场模式，以利于产生受激辐射。顾名思义，半导体激光器的工作（增益）介质是半导体材料，更巧合的是，在一般的半导体激光器中，构成谐振腔的也是半导体材料。

电子在两个能级（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；若掺杂了受主杂质，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。两个区的交界处，被称为p?n结。结附近两侧的能级如图1所示。

ν

图1未加偏置电压时半导体激光器的能带

图1中EC是导带，EV是价带，EF是系统在热平衡时的费米能级。p?n结区有一能量势垒，阻止n(p)型区的电子（空穴）进入p(n)型区。在n型区，电子是多数载流子，空穴是少数载流子；在p型区则相反。如果在两侧加上正向电压，则使势垒降低，外加的电源向n区注入电子，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时的状态是不同的，此时，电子和空穴处于非平衡态，有各自的费米分布fe?E?和fh?E?以及不同的准费米能级EFn和EFp。n区的电子会经过p?n结向p区运动， p区的空穴也会经p?n结向n区运动，在p?n结处，即激活区（或称有源层），产生粒子数反转，电子和空穴复合，以光子的形势释放出能量。这是半导体作为增益介质，在电流注入时的电子-空穴复合发光的机理。

ω

ν

图2 加正向偏执电压时半导体激光器的能带及电子空穴对的复合发光

图1和图2是在坐标空间中的能级图，横坐标延垂直于p?n结平面的方向；用以说明电子空穴对的复合发光是在p?n结的区域中发生的。

ωω

半导体中的带间复合发光，EFn、EFp分别为电子和空穴的准费密能级

图3直接带隙带间复合发光的能级图

图3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I?h??与导带的态密度De?E?、价带的态密度Dh?E?、导带中电子的费米分布概率fh?E?有关，

I?h????De?E?Fe?E?Dh?E?h??fe?E?h??dE （1）

在低载流子密度，经典极限下，有：

1/2I?h????h??Eg?exp??h??Eg?/kBT ?h??Eg? （2）

??ω

图4带间跃迁发光光谱

图4是电子空穴对复合发光的光谱。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度有关。在高载流子密度的简并情况下，则要进一步考虑费米分布。

半导体激光器能够产生激光振荡，即产生受激发射，的必要条件是电子和空穴的分布不处于热平衡状态，而处于粒子数反转的状态。通过电流注入或者光激发的方式，可产生非热平衡的分布，使得