半導體激光二極管在實驗教學中的應用

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半導體激光二極管在實驗教學中的應用

魏作余1,王 智2

（1.張家口學院,河北張家口,075000；2.張家口經濟開發(fā)區(qū)姚家房中學,河北張家口,075000）

半導體激光二極管（LD）在原子波譜學、光譜學、量子學、光纖通信技術、激光制冷等一些基礎研究和高科技產品開發(fā)方面已經得到廣泛的應用推廣，但是在應用中通常遇到一些問題，半導體激光二極管的輸出波長受其自身的工作溫度和電流的變化的影響很大。本文通過分析半導體激光二極管的工作原理，研究半導體二極管在原子物理實驗、光學實驗的應用案例分析。

1　半導體激光二極管的工作原理

半導體二極管要求提供高穩(wěn)定的恒流，因此穩(wěn)流電路必須具有電流穩(wěn)定度好，同時具有抑制、消除浪涌電流，本電路結構通過采用高精密度可調節(jié)基準電壓設置注入電流工作點，并與流進半導體激光二極管的注入電流上的取樣電壓相比較，實現(xiàn)注入電流的穩(wěn)定，確保半導體二極管達到穩(wěn)恒電流。本實驗室完成實驗所采用的電源是DF-1730雙路直流穩(wěn)壓電源，本電源可使注入電流0—10A范圍連續(xù)可調（小功率半導體激光二極管的工作電流一般為50mA）。或者在采用電壓IC塊LM399及其外圍元件組成，該電路的輸出電流為0—150 mA范圍連續(xù)可調，電流波動為1μA。

半導體激光二極管工作時，因自身發(fā)熱和環(huán)境溫度影響半導體二極管輸出波長的變化以及功率的穩(wěn)定性。以小功率的半導體二極管為例（650nm紅外線），受工作溫度和環(huán)境溫度的影響比較嚴重，因此必須從外部控制管溫，達到不出現(xiàn)輸出波長的波動，所以半導體激光二極管控制電路能夠設置輸出電流的調節(jié)，并且加以溫度傳感器自動檢測激光二極管的溫度波動，加以校正。

半導體激光二極管控制電路結構：嚴格控制輸出電流的靈敏度采用LM334與晶體管電子元件組合電路，組合成輸出電流與溫度成比例的恒流源，溫度控制點則由LM339、外圍電路、溫度傳感器組成，電壓的波動受溫度傳感器的溫度波動、電流波動影響。通過濾波器濾除非溫度影響的干擾信號，再通過比例電路、微分電路、積分電路自動調節(jié)校正溫差，達到溫度控制的目的。輔助金屬的激光管外殼和管座以調節(jié)環(huán)境溫度的影響，與半導體相連接制冷面具有良好的導熱性。

2　銣原子在能級躍遷譜線觀測中的應用

半導體激光二極管達到高穩(wěn)定性能再加上適當?shù)膾呙枵{制信號后可以在原子能級躍遷實驗中應用。例如塞曼能級躍遷實驗。

原子能級躍遷的激勵以及信號的觀測原子汽泡室溫度對信號的穩(wěn)定性影響很大。實驗過程時，原子汽泡室需要恒溫控制，如果溫度過高，導致蒸汽密度過大，原子的運動劇烈致使與器壁碰撞增加，增強弛豫現(xiàn)象；如果汽泡室溫溫度過低，原子的數(shù)量會減少，致使信號減弱。例如銣原子的溫度一般40℃--50℃最為適宜，信號也最為較強。具體到實驗時以實驗數(shù)據(jù)為準，不同的激光二極管的性能參數(shù)不同，受溫度系數(shù)影響不同。

銣原子線性吸收譜線的實驗時，可以采用調節(jié)半導體激光二極管的輸出波長為780nm激發(fā)銣原子，使銣原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的過程中出現(xiàn)線性吸收譜線。激發(fā)態(tài)的原子自發(fā)輻射后返回基態(tài)，通過檢測吸收泡光強的強弱了解銣原子的線性吸收情況；實驗過程中通過掃描半導體激光二極管的動態(tài)溫度了解銣原子線性吸收譜。激光二極管注入電流的方式改變和大小的改變引起激光二極管功率的改變，在使用單一激光二極管接受信號時，譜線容易出現(xiàn)迭加，為了消除這一現(xiàn)象可以采用差分放大技術，即激光輸出位置加一分光鏡分光，這一束光不經過吸收泡吸收，兩束光經差動放大后輸出。

實驗過程可以采取這樣辦法，將半導體激光二極管輸出的激光分為兩束，泵浦光較強作用是激勵原子系統(tǒng)；探測光較弱用途是與相干信號檢測，相干信號來源于激勵原子系統(tǒng)時產生的偏振光。人工調整泵浦光束與探測光束形成一很小夾角，探測光束經過正交檢偏器進入光電檢測器，通過輸出設備顯示器和繪圖儀輸出反映相干信號的情況。在銣原子塞曼相干實驗中，觀察△m=1的塞曼相干時，在光路中夾雜一λ/4波片得到泵浦光束，但是在觀察△m=2的塞曼相干時去掉λ/4波片。

3　激光二極管在干涉實驗中的應用

本文所講述的共陽極激光二極管，結構如圖所示，激光二極管的諧振腔由兩個諧振腔組成，激光從內層管罩射出在經過準直透鏡出射，從激光二極管反饋回的光匯聚到LD上，經過準直透鏡的光束照射到透鏡上。

LD發(fā)出的光束可以采用已知厚度d且表面玷污的反射鏡，形成等傾干涉來測量，按照邁克耳孫干涉原理，實驗所測得數(shù)據(jù)是波長為786nm，實驗原理圖如圖所示

激光二極管LD在光學實驗中的應用很廣，但是每個實驗都要求對激光二極管的性能參數(shù)詳細了解，否者測出的實驗數(shù)據(jù)誤差很大。

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魏作余（1979.7—），男，漢族，河北張家口人，張家口學院理學系實驗師，主要研究方向：高校物理實驗教學。

摘要：半導體激光二極管（LD）在原子波譜學、光譜學、量子學、光纖通信技術、光學實驗等一些基礎研究項目和高科技產品開發(fā)方面已經得到廣泛的應用推廣，但是在實際應用中通常遇到一些問題，主要是半導體激光二極管的輸出波長受其自身的工作溫度和電流的變化的影響很大。本文通過分析半導體激光二極管的工作原理，研究半導體二極管在原子物理實驗、光學實驗的應用案例分析。

關鍵詞：半導體；激光二極管；應用

本論文為張家口學院課題“二極管在實驗教學中的應用性研究”（課題編號：2014001）階段性成果。

Application of semiconductor laser diode in experimental teaching

Wei Zuoyu1,Wang Zhi2

（1.zhangjiakou University 075000;2.Yao Jia Fang Zhangjiakou Economic Development Zone Hebei 075000 middle school Zhangjiakou)

Abstract：Semiconductor laser diode(LD)in atomic spectroscopy,spectroscopy,quantum theory,optical fiber communication technology,optical experiments and some basic research projects and development of high-tech products has been widely used,but often encounter some problems in the practical application,mainly affect the output wavelength of the semiconductor laser diode by the working temperature and the current of its own.This paper analyzes the working principle of the semiconductor laser diode,analysis of semiconductor diode application case in atomic physics experiment,optical experiment.

Keywords：semiconductor laser diode;application

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