劉瀅瀅，蔣 碩，葛惟昆

（清華大學物理系實驗物理教學中心，北京100084）

1 引 言

半導體激光器，又稱為半導體激光二極管，或簡稱激光二極管（Laser diode，簡稱LD），它的優(yōu)點是體積小、效率高、壽命較長，可采用簡單的電流注入方式來泵浦；其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而有可能與之單片集成；并且還可用高達GHz的頻率直接進行電流調(diào)制，以獲得高速調(diào)制的激光輸出，并可進行溫度調(diào)諧和電流調(diào)諧.半導體激光器在光通信、信息存儲與處理、軍事、醫(yī)學以及科學研究方面都有廣泛的應用.但是普通半導體激光器也有不足，即發(fā)出的光帶寬較寬，頻率穩(wěn)定性差.我們設計一套裝置，采用Littrow結(jié)構(gòu)[1－5]，用普通的半導體激光器加上光柵反饋組成外腔可調(diào)諧半導體激光器.利用光柵的色散選擇作用，使得激光增益中頻率很窄的一部分發(fā)射譜反饋到激光管內(nèi)，增加了出射激光模式的競爭性，使得激光更容易工作在單縱模與窄線寬狀態(tài).Littrow結(jié)構(gòu)外腔半導體激光器中激光管出射的激光通過閃耀光柵的0級衍射形成出射激光，而1級衍射光則反射至激光管選擇激光頻率.選用分立的組件，采用便宜耐用的激光管（型號為GH0781RA2C，輸出波長約為780nm），讓學生親自組裝和調(diào)試單縱模頻率可調(diào)諧的半導體激光器，在實驗中加深對激光原理的理解，測量重要的激光參量，鍛煉實際操作和動手能力，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的能力.該實驗與其他實驗相比更側(cè)重動手能力和獨立思考并解決問題能力的培養(yǎng)，為學生從事科學研究提供了很好的訓練平臺.

2 原 理

2.1 半導體激光器的工作原理

2.1.1 有源區(qū)載流子反轉(zhuǎn)分布

在半導體中要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注入必要的載流子來實現(xiàn)，將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導帶中去.當處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復合時，便產(chǎn)生受激輻射作用.

2.1.2 諧振腔

使受激輻射多次反饋，形成振蕩.激光器的諧振腔是由半導體的自然解理面作為反射鏡形成的，用半導體解理面構(gòu)成共振腔，能獲得的反射率一般只有30%左右，為適應某些應用的要求，腔鏡達到高反射率，可以在有源層兩側(cè)各交替疊加許多層折射率不同的半導體材料，形成所謂分布反饋，如圖1所示.這種光學結(jié)構(gòu)稱為法布里－珀羅諧振腔，簡稱F－P諧振腔.

在LD中，作為增益媒質(zhì)晶體兩端的自然解理面形成反射鏡，即光腔.在諧振腔中，光波在2塊反射鏡之間往復傳輸，當光波滿足特定相位關(guān)系時才能得到加強，這種關(guān)系稱為相位條件，滿足

圖1 F－P諧振腔

相位條件的光頻率為

式中：n是半導體材料的折射率，L是腔長，c是光速，q是整數(shù).由此可知，激光器中振蕩光頻率只能取某些分立值，不同q的一系列取值對應于沿諧振腔軸向一系列不同的電磁場分布狀態(tài)，一種分布就是一個激光器的縱模.相鄰兩縱模之間的頻率之差為

稱為縱模間隔，它與諧振腔長及工作物質(zhì)有關(guān).

2.1.3 要滿足閾值條件，使增益大于損耗，需要有足夠的注入電流

為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場.這就必須要有足夠強的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閾值條件.當激光器達到閾值時，具有特定波長的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)輸出.在注入電流的作用下，有源區(qū)的受激輻射不斷增強，稱為增益.當腔內(nèi)增益超過總損耗（包括載流子吸收、缺陷散射及端面輸出）時，就產(chǎn)生了激光.

2.2 外腔結(jié)構(gòu)與頻率模式選擇

光反饋[6]是通過平面鏡、光柵等反饋元件將輸出光束的部分光反饋回半導體激光器，使激光器中各縱模所獲得的凈增益發(fā)生變化，從而使特定的模式振蕩同時抑制其他模式的方法.在光反饋技術(shù)中，光柵外部反饋是簡單而有效的方法.

圖2（a）是Littrow方式的原理圖.在Littrow方式中，經(jīng)光柵衍射后產(chǎn)生的1級衍射光直接沿入射光路反饋回激光器，0級光作為輸出光.實驗用光柵為反射式閃耀光柵（1 800mm－1），其形狀如圖2（b）所示，這樣，加了外腔后的二極管激光器的總的輸出增益與頻率的關(guān)系如圖3所示.圖3中總增益G＝激光二極管增益×二極管內(nèi)腔選頻×光柵的增益×外腔的選頻，總增益最大的譜線（即圖3中4種譜線的交集）最后會被放大輸出，圖3中最終只有箭頭所指的模式勝出，被放大形成單模激光輸出.改變半導體激光器電流可以對其輸出激光的中心波長進行粗略調(diào)諧，但是由于可能發(fā)生劇烈的模式跳變，導致頻率不能被連續(xù)調(diào)諧，存在一些頻率間隙，而有時所需要的激光頻率正好落在這些頻率間隙內(nèi)，僅靠改變注入電流無法使其工作在所需要的頻率區(qū)段，這時調(diào)節(jié)光柵角度（改變外腔腔長，此時光柵的增益曲線和二極管外腔選頻曲線發(fā)生移動），可以將激光輸出調(diào)節(jié)至所需頻率，從而實現(xiàn)單模輸出頻率的連續(xù)調(diào)諧.

圖2 Littrow方式原理圖

圖3 激光器輸出增益與頻率的關(guān)系

3 實驗內(nèi)容及調(diào)節(jié)過程

外腔調(diào)諧半導體激光器（ECDL）結(jié)構(gòu)[6]示意如圖4所示，圖中a為激光管，b為準直透鏡，c為調(diào)節(jié)螺釘，d和f為調(diào)節(jié)架和連接器，e為半導體激光器外壁，g為光柵，h為諧振腔，i為反饋回激光器的衍射光，j為出射激光.外腔調(diào)諧半導體激光器實物如圖5所示.

圖4 外腔調(diào)諧半導體激光器結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 外腔調(diào)諧半導體激光器實物圖

整臺實驗儀器可分為電源、光源、傳導、監(jiān)測與檢測4個部分.實驗主要元器件如下：

1）單模激光管，GH0781RA2C，780nm，120mW；

2）準直器，Thorlabs LT110P－B；

3）光柵，Thorlabs GH13－18V，可見光，1 800mm－1；

4）調(diào)節(jié)架和連接器，Newport U100－P3K，UPA－PA1；

5）穩(wěn)流電源，北京優(yōu)立光太，定制，輸出200mA，波動＜1μA.

激光器的核心部分即光源部分：LD的2個端面（一面高反，輸出一面反射率約30%）構(gòu)成低Q的激光腔，稱為內(nèi)腔；LD發(fā)出的光經(jīng)過準直透鏡近似呈平行光輸出.由45°的反射光柵與LD的高反射端面構(gòu)成外腔.輸出光的方向是垂直于二極管到光柵這個縱形反射腔的.該ECDL由外腔將二極管所發(fā)的光選擇性放大后輸出單縱模激光，經(jīng)過傳導部分傳送至監(jiān)測部分進行監(jiān)測.電源部分提供二極管激光器穩(wěn)定的電流，電流調(diào)節(jié)范圍0～200mA，精度0.01mA.光源部分需經(jīng)過準直、偏振、光柵角度調(diào)節(jié)，使得單縱模光得以放大；傳導部分將光柵處出射的激光耦合進光纖，再連接至法布里－珀羅干涉儀的輸入口，通過示波器實時觀察激光器輸出的模式情況.

實驗步驟：

1）二極管的裝配

將二極管、帶凸透鏡的準直筒、引線接頭組裝在一起，注意判別正負極和地線.用很小的一字刀撥動凸透鏡一端的內(nèi)圓環(huán)，調(diào)節(jié)凸透鏡前后位置即物距，直到出射光為平行光.用光強計檢查二極管額定發(fā)光功率，二極管輸出功率與電流數(shù)據(jù)如表1所示，關(guān)系曲線如圖6所示.

表1 二極管功率測試

圖6 輸出功率與電流的關(guān)系

2）反射光柵的裝配

把反射光柵粘接在楔形托架上，保證最終激光二極管出射光斑投在光柵表面的正中位置.

3）二極管的固定與偏振的調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)動二極管，利用光強計找到光強極大時二極管的自轉(zhuǎn)角，加以固定；被限制在腔體內(nèi)的激光要有一定的強度而能夠來回干涉放大，但又不能太強而引起震蕩；輸出應占到總能量的80%左右，在腔內(nèi)反射的能量在20%左右.這是利用光柵對不同偏振態(tài)的衍射效率不同來實現(xiàn)的.上述衍射效率，相應于光偏振方向垂直光柵刻縫方向.

4）用小紙片進行單模粗調(diào)

激光放大需要光能在外腔來回反射，因此二極管內(nèi)壁與反射光柵表面的楔角要形成良好的1對反射壁，使得只有某一波長的光波滿足干涉加強條件而得到放大.在黑色不透光的小紙片上扎1個小孔，然后把紙片置于二極管和光柵之間，使光線只能通過小孔照射到光柵上；通過光具架上的俯仰和左右2個調(diào)節(jié)螺母，調(diào)整光柵的方位角，使得被光柵表面反射回紙片的光斑與透光的小孔重合.

5）用光強計進行單模細調(diào)

用光強計監(jiān)測輸出光強，降低電流，利用光強的閾值細調(diào)至最佳：光強計接收被光柵表面反射的輸出光，調(diào)節(jié)二極管電源的電流，第一次可先調(diào)至32mA左右（使得激光輸出在1mW左右，該光強下的電流在此實驗中作為閾值電流），然后緩慢地調(diào)節(jié)光柵的俯仰和左右的2個螺母（注意每次只調(diào)節(jié)其中一個），提高光強讀數(shù)達到極大.然后逐漸降低電流，重復以上調(diào)節(jié)螺母的過程，使得光強處于極大.這樣可以不斷降低閾值電流.反饋細調(diào)成功后的一個標志性現(xiàn)象，就是在閾值電流下的反饋，能大大提高激光輸出功率：比如反饋良好下，激光閾值功率在1mW；稍微調(diào)節(jié)光柵角度使得反饋變差，功率會降至幾十μW，即下降1個數(shù)量級.

6）光纖耦合調(diào)節(jié)

粗調(diào)光纖架位置：將帶有光纖接頭的光纖架固定在光學平臺的合適位置，令其高低、左右、朝向等均大致合適，使得光柵表面反射過來的輸出光束盡可能準確地恰好穿過中心的接孔.接入光纖，細調(diào)光纖架的朝向，分別依次細調(diào)光纖架的俯仰螺母和左右螺母，使得通過光纖后的光線最強.

7）接入監(jiān)測部分

在示波器上觀察單模與多模的現(xiàn)象：緩慢地調(diào)節(jié)電源電流的細調(diào)旋鈕，可以在示波器上交替看到單模激光和多模激光的信號，這是由于注入電流變化使波長能譜變動所致；在單模時，可以看到示波器上呈現(xiàn)有若干個等高的峰的圖像，它們都是同一縱模信號；在多模時，可以看到示波器上顯示很多組而且不同組峰值不等的信號，這表明不只有1個模式.

8）波長調(diào)節(jié)

實驗所搭建的激光器可輸出一定頻段的單模激光，具備頻率可調(diào)諧的能力.參看示波器上的圖像，調(diào)節(jié)電流細調(diào)旋鈕，將激光選擇在1個單模上.再將輸向法布里－珀羅干涉儀的光纖一端轉(zhuǎn)接至波長計上，可直接讀出激光的波長.如果單模性很好，可見波長計的波長讀數(shù)只有小數(shù)點后第四位即最末位有跳動，如果變動很大，說明還是多模狀態(tài)，通過小心調(diào)節(jié)電流細調(diào)旋鈕和光柵左右朝向的螺母，可調(diào)節(jié)至單模.圖7和圖8分別是激光輸出為單縱模和多模時從示波器上看到的圖像.

圖7 單縱模圖像

圖8 多模圖像

4 結(jié)束語

采用Littrow結(jié)構(gòu)進行光柵外部反饋，用普通的半導體激光器加上光柵反饋組成外腔可調(diào)諧半導體激光器.利用光柵的色散選擇作用，使得激光增益中頻率很窄的一部分發(fā)射譜反饋到激光管內(nèi)，增加了出射激光模式的競爭性，使得激光更容易工作在單縱模與窄線寬狀態(tài).該激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、輸出線寬窄等優(yōu)點.

[1] Wieman C E，Hollberg L.Using diode lasers for atomic physics[J].Rev.Sci.Instrum.，1991，62（1）：1－20.

[2] Arnold A S，Wilson J S，Boshier M G.A simple extended－cavity diode laser[J].Rev.Sci.Instrum.，1998，69（3）：1236－1239.

[3] MacAdam K B，Steinbach A，Wieman C.A narrow－band tunable diode laser system with grating feedback，and a saturated absorption spectrometer for Cs and Rb[J].American Journal of Physics，1992，60（12）：1098－1111.

[4] Ricci L，Weidemiiller M，Esslinger T，et al.A compact grating－stabilized diode laser system for atomic physics[J].Optics Communications，1995，117（5／6）：541－549.

[5] 江劍平.半導體激光器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[6] 李賓中，陳建國，盧玉樹.光柵調(diào)諧外腔半導體激光器特性[J].半導體光電，1994，15（1）：78－80.