半導(dǎo)體激光器的安全使用操作.docx

實(shí)驗(yàn)一 半導(dǎo)體激光器的安全使用操作一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉半導(dǎo)體激光器的一般常識(shí)。 掌握半導(dǎo)體激光器的安全使用及操作。 熟悉半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)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(dǎo)體激光器的出廠技術(shù)參數(shù)。二. 半導(dǎo)體激光器原理及常識(shí)介紹 2.1運(yùn)行機(jī)理 對(duì)于典型的雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體器激光器是靠PN結(jié)正向注入和載流子的復(fù)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?zhàn)饔茫粷M足一定的閥值條件。 對(duì)于條件一般是采用簡(jiǎn)并的P型和N型半導(dǎo)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(duì)于條件結(jié)型半導(dǎo)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(kāi)始時(shí)導(dǎo)帶中的電子自發(fā)地躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)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(jìn)相當(dāng)長(zhǎng)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(gè)平行的平面鏡間不斷地來(lái)回反射，每反射一次就得到進(jìn)步的放大。這樣不斷地重復(fù)和發(fā)展，就使得這種輻射趨于占?jí)旱沟膬?yōu)勢(shì)，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(duì)于條件半導(dǎo)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(zhǎng)度，R1、R2為兩腔鏡的反射率。2. 2波導(dǎo)腔的特性 半導(dǎo)體激光器其腔結(jié)構(gòu)可看成是一波導(dǎo)腔，在垂直于P-N結(jié)平面方向（橫向）一般為對(duì)稱或非對(duì)稱三層波導(dǎo)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(dǎo)原理，在該波導(dǎo)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(dǎo)引結(jié)構(gòu)，其輸出模式稱為側(cè)模，空間分布往往非常復(fù)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(shí) 半導(dǎo)體激光器諧振腔最常用的是由垂至于PN結(jié)的兩個(gè)嚴(yán)格互相平行的（110）解理面構(gòu)成F-P諧振腔，腔長(zhǎng)一般為200 m500 m。半導(dǎo)體材料的折射率都很高，如GaAs的折射率3.6，兩個(gè)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(gè)反射面上鍍上全反膜，為改善性能，實(shí)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(dǎo)體激光器是把pn結(jié)切成方塊，焊上電極，長(zhǎng)方形的側(cè)面磨毛，其兩斷面是平行平面，形成FP腔，這兩個(gè)斷面可以是磨制而成的，一般直接利用晶體的解理面。當(dāng)施加于激光器的電流超過(guò)閾值時(shí)，便產(chǎn)生激光輻射，散熱器用來(lái)降溫，以使激光二極管輸出穩(wěn)定的光強(qiáng)和穩(wěn)定的波長(zhǎng)。這些早期的半導(dǎo)體激光器也稱之為邊緣發(fā)射半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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?yàn)榭燧S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(dǎo)體激光器（vertical cavity surface-emitting semiconductor laser簡(jiǎn)稱VCSELs），克服了邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器的缺點(diǎn)。它能夠在同一塊板上集成一百萬(wàn)只小激光器，其激發(fā)電流僅1mA，VCSELs的商品化將帶來(lái)光電腦的革新，有助于實(shí)現(xiàn)人工智能；并將帶來(lái)光纖通信聯(lián)網(wǎng)的革新等。這種表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的重要特征之一，是從垂直于半導(dǎo)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(lái)從半導(dǎo)體側(cè)面發(fā)射激光的缺點(diǎn)。有興趣的同學(xué)可參看半導(dǎo)體激光器方面的資料，本實(shí)驗(yàn)不涉及VCSEL激光器。對(duì)于典型的雙異質(zhì)結(jié)邊發(fā)射半導(dǎo)體器激光器，從輸出功率來(lái)分，可分為L(zhǎng)D(Laser Diode) 、LDA(Laser Diode Array) 、LD Bar(Laser Diode Bar)及LD Stack(Laser Diode Stack)。對(duì)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(guò)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(zhǎng)度，由此發(fā)展了LD Array, 其發(fā)光面尺寸一般可達(dá)到1 m 50 m 至 1 m 700 m, 功率可達(dá)到7 W。進(jìn)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(dá)幾十瓦。更大功率的半導(dǎo)體激光器則采用了一維及二維LD Stack,它是由多個(gè)LD Bar排列起來(lái)的，制造中考慮了器件的散熱情況。 2. 4 半導(dǎo)體激光器的出廠技術(shù)參數(shù) 每只半導(dǎo)體激光器在出廠時(shí)都會(huì)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(hào)等內(nèi)容，包括：Module；Serial No；Chip No。對(duì)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(duì)應(yīng)激光器的輸出特性：中心波長(zhǎng)0(nm)及光譜曲線；(慢軸發(fā)散角)(deg)（FWHM）；(快軸發(fā)散角)(deg)（FWHM）；測(cè)試條件：Tc(溫度)()實(shí)驗(yàn)中所用的半導(dǎo)體激光器技術(shù)參數(shù)均可以從計(jì)算中查閱。首先在半導(dǎo)體激光器電源的外殼上找到其相應(yīng)的固定資產(chǎn)號(hào)碼（此號(hào)碼也能在LD的散熱片上找到），然后在D:光電子學(xué)實(shí)驗(yàn)LD技術(shù)參數(shù) 目錄下打開(kāi)文件“LD與固定資產(chǎn)號(hào)碼對(duì)應(yīng)表”，查到LD管子的Chip No.，再打開(kāi)該管子號(hào)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(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器，由于它價(jià)格昂貴，操作麻煩，一不小心就會(huì)損壞，所以要千萬(wàn)小心。我們從以下幾個(gè)方面要求大家了解半導(dǎo)體激光器的一般安全知識(shí)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(dǎo)致永久損壞。為了高效的、且可在低電壓下驅(qū)動(dòng)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(méi)有任何保護(hù)措施的半導(dǎo)體激光器，立即導(dǎo)致管子的靜電擊穿。而正向浪涌能導(dǎo)致發(fā)光端面擊穿（光學(xué)性擊穿），這種擊穿大多數(shù)是因?yàn)樽詣?dòng)功率控制電路的設(shè)計(jì)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(wú)緩慢啟動(dòng)裝置，因上升瞬態(tài)特性而被正向浪涌擊穿；或者當(dāng)激光二極管工作時(shí)，在旁接通同一交流線上的熒光燈開(kāi)關(guān)時(shí)，突然產(chǎn)生浪涌，激光二極管一瞬間為過(guò)電流擊穿。 在使用半導(dǎo)體激光器時(shí)應(yīng)采取以下一些措施：a) 必須使用具有電流緩慢啟動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)電源。b) 當(dāng)我們必須用手直接操作半導(dǎo)體激光器（如連線焊接或接插件插抜）前，人體必須通過(guò)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(tái)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(kāi)交流電源。d) 在裝運(yùn)過(guò)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(dǎo)電材料或鋁箔，一般PN結(jié)應(yīng)短路以確保運(yùn)輸安全?；蛘呷舭雽?dǎo)體激光器長(zhǎng)時(shí)間不用，PN結(jié)也應(yīng)短路。e) 激光二極管遠(yuǎn)離高頻源。（2）光電子學(xué)實(shí)驗(yàn)選用了波長(zhǎng)為800 nm左右，功率為500 mW的GaAlAs半導(dǎo)體激光器，并選用了HH-V型半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源。系統(tǒng)除具有多重安全保護(hù)措施（如在半導(dǎo)體激光器的散熱片上安置了LD的短路開(kāi)關(guān)等）外，還能提供半導(dǎo)體制冷(或制熱)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的溫度控制。在實(shí)際操作中必須注意以下幾點(diǎn)：a) 電源的驅(qū)動(dòng)電流必須小于半導(dǎo)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(zhǔn)）。b) 電源的“開(kāi)”或“關(guān)”可能產(chǎn)生尖峰電流會(huì)直接損傷激光二極管，因此每次在電源的“開(kāi)”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(shí)應(yīng) 反時(shí)針 旋轉(zhuǎn)到不能轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為止），并且關(guān)掉LD工作開(kāi)關(guān)（即短路LD）。同樣在“開(kāi)啟”或“關(guān)掉”LD工作開(kāi)關(guān)前也必須先把電流調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)至最小。c) 半導(dǎo)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(guò)高的溫度將導(dǎo)致其發(fā)光效率的下降及管子壽命的快速降低。d) 為延長(zhǎng)LD管子的壽命，在沒(méi)有必要的情況下，LD驅(qū)動(dòng)電流不要過(guò)大。 2. 5.2 HH-V型半導(dǎo)體激光器電源 HH-V型半導(dǎo)體激光器電源輸出電流穩(wěn)定、具有電流緩慢啟動(dòng)裝置、抗干擾性能強(qiáng)，能保證半導(dǎo)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(dòng)半導(dǎo)體制冷(或制熱)器實(shí)現(xiàn)LD的溫度控制。HH-V型半導(dǎo)體激光器電源的使用操作說(shuō)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(kāi)關(guān) 5、電源開(kāi)關(guān)圖3-2 半導(dǎo)體激光器電源的操作面板在實(shí)驗(yàn)中該電源和激光二極管的使用要嚴(yán)格按照操作規(guī)程來(lái)進(jìn)行，否則容易損壞半導(dǎo)體激光器。具體的操作步驟如下 ：1) 打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)前，先確認(rèn)LD工作開(kāi)關(guān)處在“關(guān)閉”狀態(tài)，此時(shí)其紅色指示燈不亮，并 反時(shí)針 將電流調(diào)節(jié)旋鈕擰到頭。2）打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)前，先調(diào)節(jié)LD的溫度設(shè)定至20C25C范圍內(nèi)。每臺(tái)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(qǐng)同學(xué)們?cè)谟?jì)算機(jī)中查閱：在D:光電子學(xué)實(shí)驗(yàn)LD溫度與調(diào)節(jié)刻度的關(guān)系 目錄下打開(kāi)與LD電源固定資產(chǎn)號(hào)碼對(duì)應(yīng)的文件（.opj文件），固定資產(chǎn)號(hào)碼可容易地在半導(dǎo)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(kāi)關(guān)）打開(kāi)，電流輸出顯示為 0 mA。此時(shí)溫度控制器即開(kāi)始工作，一般24分鐘LD的溫度就到達(dá)你所設(shè)定的溫度。4) 開(kāi)啟LD的短路開(kāi)關(guān)（LD的短路開(kāi)關(guān)安置在半導(dǎo)體激光器的散熱片上，開(kāi)關(guān)向上為短路狀態(tài)，向下為正常工作狀態(tài)），打開(kāi)LD工作開(kāi)關(guān)（紅色船形開(kāi)關(guān)），紅色指示燈亮，緩慢擰動(dòng)電流調(diào)節(jié)旋鈕，將電流調(diào)至所需值。若驅(qū)動(dòng)電流大于半導(dǎo)體激光器的閾值，此時(shí)應(yīng)有激光輸出（由于LD輸出為近紅外光，本實(shí)驗(yàn)用頻率上轉(zhuǎn)換材料制成的激光顯示片來(lái)觀察半導(dǎo)體激光器的輸出，轉(zhuǎn)換后顯示為黃色），同時(shí)由于激光輸出而導(dǎo)致發(fā)熱，2分鐘后溫度自動(dòng)到達(dá)設(shè)定值并穩(wěn)定下來(lái)。注意: 1。在調(diào)節(jié)電流時(shí)，大于500mA后電流上升非?？?，請(qǐng)謹(jǐn)慎調(diào)節(jié)，以免驅(qū)動(dòng)電流超過(guò)半導(dǎo)體激光器最大工作電流，損壞激光器。驅(qū)動(dòng)電流不要大于610mA。2當(dāng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度很高（如29）及空氣潮濕時(shí)，由于設(shè)定溫度及環(huán)境溫度的溫差，可能造成LD保護(hù)窗口結(jié)露，影響激光輸出。此時(shí)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(hù)窗口擦干。4) 使用完畢，先將電流調(diào)節(jié)反時(shí)針旋至最小值，“關(guān)掉”LD工作開(kāi)關(guān)，紅色指示燈熄滅，“關(guān)閉”電源開(kāi)關(guān)，“短路”半導(dǎo)體激光器（短路開(kāi)關(guān)向上）。警告：HH-V型半導(dǎo)體激光器電源和半導(dǎo)體管子的連線已連接好，嚴(yán)禁拆卸該接插件。三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)中所用半導(dǎo)體管子的出廠技術(shù)參數(shù)（從計(jì)算機(jī)中查閱：首先在半導(dǎo)體激光器電源的外殼上找到其相應(yīng)的固定資產(chǎn)號(hào)碼（該號(hào)碼也能在LD的散熱片上找到），然后在 D:光電子學(xué)實(shí)驗(yàn)LD技術(shù)參數(shù) 目錄下打開(kāi)文件“LD與固定資產(chǎn)號(hào)碼對(duì)應(yīng)表”，查到LD管子的Chip No.，再打開(kāi)該管子號(hào)碼相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)文件（.pdf文件），理解各項(xiàng)指標(biāo)的含義。并填寫(xiě)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(zhǎng)： 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(xì)閱讀半導(dǎo)體激光器及HH-V型半導(dǎo)體激光器電源的安全使用知識(shí)及操作規(guī)程。嚴(yán)格按照操作順序進(jìn)行半導(dǎo)體激光器的“開(kāi)” 、“關(guān)”等操作，做到操作正確、熟練。3嚴(yán)格按照半導(dǎo)體激光器電源的使用步驟，打開(kāi)電源，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流到2倍閾值電流。4由于LD輸出為近紅外光，本實(shí)驗(yàn)用頻率上轉(zhuǎn)換材料制成的激光顯示片來(lái)觀察半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體激光器