EFn?EFp?h??Eg （3）

这样，系统就具有了对光进行放大的能力，成为具有增益的工作介质。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，杂质发光等。发光激活区的结构也有多种形式，如双异质结，量子阱等。

利用谐振腔将以上发光过程产生的光场限制在少数几个模式中，使能量集中，光场增强，再考虑到增益大于损耗，则可产生受激辐射，成为半导体激光器。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的反射率R通常是30％左右。由谐振腔的限制，在腔内满足驻波条件的电磁场（光场）处于特定的模式。激光将只能在这些模式的频率上产生。由于存在损耗，这些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Ith（阈值电流）时，在由谐振腔确定的模式频率上，增益大于由吸收和散射造成的损耗α，以及在反射镜上的透射损失，则产生激光。激光稳定振荡的条件是

gth???1/2lln?R1R2? （4）

此增益gth称为阈值增益。l是激光器的腔长。

继续增加电流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

P?I?Ith （5）

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、光场模式与注入电流区的重合、器件的结构等因素有关。 半导体激光器的结构

δλλΔλ

图5 半导体激光器的结构示意图

端面发光条形半导体激光器的结构见图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了谐振腔的两个反射镜。限制层、有源层、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（电磁波）的空间分布分为横向模式和纵向模式。在图中的纵向模式的插图5中，?0是激光的中心波长，??m是增益线宽的半宽度，??是激光谱线的宽度。半导体激光器的激光谱线的线宽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至几千微米。另外，半导体材料的自然解理面形成的反射面的反射率很低，只有30％左右。这些因素决定了半导体激光器的谱线宽度。半导体激光器横向模式的近场分布与远场分布是不同的，其特点如图所示。实际的半导体激光器的具体结构也有多种形式，以上是一种典型的半导体激光器的基本结构。近年来有很多新发展，可参考有关文献。关于以上论述所涉及到的导带、价带、掺杂、施主、受主、p?n结、费米能级和分布、偏置、电流注入、发光、增益、光场模式等概念，深入探讨请参考有关固体物理、激光原理和半导体激光器的论著。

2. 半导体激光器的工作特性

1.22.52输出功率（mW）1.510.40.5005101520250工作电流（mA）工作电压（V）0.8

图6 半导体激光器的工作特性示意图

图6中给出了典型的半导体激光器的工作特性示意图，其中实线是输出光功率和工作电流的关系（实线），可以清楚的看到，曲线基本是由两条直线构成，在

Ith标示的位置附近，

斜率明显变化，这个拐点就是我们平时所说的阈值。可以近似的说，在阈值前是荧光功率和电流的关系，阈值后是激光功率和电流的关系。实际中，我们常采用将远大于阈值的光功率和电流的曲线用最小二乘法拟合一条直线（图中的点-划线，由于和P?I线基本重合，所以不是很清楚，在曲线中得到阈值的方法有四种，大家感兴趣的话，可以查阅相关的文献），这条直线和电流坐标轴的交点的电流定义为阈值电流。图中的虚线是工作电压和工作电流的关系曲线（V?I曲线），它也是基本是由两段斜率不同的直线构成，一般LD在极小的电流状态下，电压已经较大了，所以一般测量时，只能看到第二段，第二段是LD的串联电阻（LD本身的电阻特性）的与通过LD的电流的结果。

3. 阈值电流（Ith）

当注入p?n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p?n结产生激光。影响阈值的几个因素：（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。目前，室温下同质结的阈值电流大于30000A/cm2；单异质结约为8000A/cm2；双异质结约为1600A/cm2。现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。（4）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。

4.发散角

由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°左右。（由于实验中我们使用的LD是已经加透镜准直后的，所以出射光束发散角要小很多，但仍可以明显体会到垂直和水平方向发散角的差异）。

5.效率

（1）外量子效率

P/h?激光器每秒钟发射的光子数?ex?＝ex激光器每秒钟注入的电子?空穴对数I/e0朗克常数，e0为电荷常数，I为工作电流。 （2） 功率效率

其中Pex为激光器输出光功率，h为普

?p?激光器辐射的光功率Pex ＝激光器消耗的电功率VI 由于h??Eg?e0V，所以功率效率可以近似为外量子效率。其中V为激光器工作电压。 （3） 外量子微分效率

由于激光器是阈值器件，当I小于Ith，发射功率几乎为零，而大于阈值以后，输出功率随电流线性增加，所以用外量子效率和功率效率对激光器的描述都不够直接，所以定义了外微分效率。

?D?(Pex?Pth)/h?Pex/h??

(I?Ith)/e0(I?Ith)/e0由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的?D最高10％，只有在低温下才能达到30％－40％。

6.光谱特性

由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之间，所以

激光线宽比之气体激光器和固体激光器较宽。 在本实验中，用WDS?6多通道光栅光谱仪观测半导体激光器的波长及谱线。

实验用具

其中WDS?6多通道光栅光谱仪用于观测半导体激光器的波长及谱线。结构如图七所示，S1和S2分别为入射和出射狭缝。M1和M2为准直反射镜，GT为光栅。将校准光源的光束通过单色仪的入射狭缝S1，射到准直镜M1上。调整适当的入射狭缝和出射狭缝的宽度，以便确定激光的波长。

图7 单色仪的结构及光路

实验内容与步骤

1观测半导体激光器的波长及谱线

本实验主要利用WDS?6多通道光栅光谱仪。 （1）光栅光谱仪的校准 操作步骤

1. 按照要求将光栅光谱仪的各个部分连线，保证正确无误。 2. 打开电控箱电源，然后运行仪器操作软件。 3. 点击“确定”仪器开始复位操作。

4. 进行谱线校准工作（利用氘灯656.1nm谱线）：

1） 打开氘灯电源，将氘灯对准入射狭缝，狭缝宽调到1mm-2mm之间。 2） 选择菜单“文件”中的“测量参数”进行设置，或者直接点“参数设置”，一般选

择默认值。

3） 选择“波长检索”出现对话框输入656.1，点“确定”键。 4） 选择“采集”中的“一次采集”，得到谱线分布图。

5） 选择“数据处理”中的“光谱平滑”除去噪声或过小峰值，以此方便图谱的读取

和辨别。

6） 选择“数据处理”中的“读取数据”（光标读取和数据列表均可），读出实际中心

波长值；或者点击“峰值检索”得到实际中心波长值。

7） 将实际中心波长与656.1nm比较，如果有偏差，则选择“系统操作”中“零波长