第三章 實驗步驟
3.5 臨界電壓的確認
半導體雷射的特色之一是能直接從電流調制其輸出光的強弱，且 其輸出光功率與輸入電流之間多為線性關係，所以雷射二極體可以採 用類比或數位電流直接調制輸出光的強弱，省掉昂貴的調制器，為本 實驗使用使用半導體雷射當光源的原因。
由脈衝訊號控制來控制半導體雷射的開或關時，其工作點是偏壓 在臨界電流(Ith)附近，在高於臨界電流時半導體雷射才為真正的激發
(lasing)，所輸出的光強才會與輸入電流成正比，在低於臨界電流時則
為自發放射(spontaneous emission)，而此自發放射會影響到偵測時的 光強度值，所以我們把自發放射的光子當作電荷耦合元件偵測的自然 背景光子處理。如依序增加微小的電流時，我們可以發現半導體雷射 的臨界電流並不是一個特定的值，而是一個區域。但本實驗所用的電 荷耦合元件為具有電熱制冷(thermo-electric cooling)的裝置，可以大幅 降低偵測時的熱雜訊使其灰階可以達到16bit，所以微量的光強大小 皆可以偵測出來，如此一來因微小電流所造成的光強度變化皆會影響 偵測值，進而使的橢圓參數的運算出現誤差。以下我們將用電荷耦合 元件當光偵測器，來了解此半導體雷射的I-V特性，進而找出適合本 實驗系統的精確臨界電流。
表(3-2)是由電荷耦合元件直接量測到雷射二極體隨著改變電流
大小而得到的光強度值，其中間不加任何樣品、偏光片或析光片及光 彈調變器。由於是直接由電荷耦合元件(CCD)量測雷射二極體發光強 度，故將曝光時間調為最小，為0.001 秒，由於我們實驗室的電源供 應器電流大小只能顯示到小數點第二位，而電流大小的改變須小至小 數點第三位變化(mA)才可做精確量測，而當半導體雷射之內阻為定 值時，我們增加電流大小也等於增加電壓大小，所以我們使用增加電 壓大小來與光強度變化值做圖。
輸入電壓
(V) 最大光強度 最大強度位置 輸入電壓
(V) 最大光強度 最大強度位置 19 3627 (253,158) 22.5 9528 (254,162) 19.5 3834 (254,159) 22.6 10217 (254,162) 20 4126 (254,159) 22.7 12269 (254,162) 20.5 4502 (254,160) 22.8 14077 (254,162)
21 4988 (254,160) 22.9 15610 (254,162) 21.5 5703 (254,160) 23 19067 (254,162)
22 6874 (254,160) 23.1 24945 (254,162) 22.1 7376 (254,160) 23.2 30288 (254,163) 22.2 7755 (254,161) 23.3 37965 (254,163) 22.3 8078 (254,161) 23.4 44928 (254,162) 22.4 8668 (254,161) 23.5 50661 (254,162)
表3-2 不同輸入電壓的雷射光強度值
19 20 21 22 23 24
由圖形可以明顯地知道當時間相位在 0 度時光強度為 0，而當時 間相位在 30 度、90 度時，其光強度的比例為 1：2，我們則以此作為 依據來校正精確的臨界電流大小。
當我們以電源供應器輸入電壓為 22.5 伏特且脈波產生器的輸出 電壓值則為 5 伏特時，CCD 曝光時間為 0.06 秒，當時間相位為 0 度，
30 度以及 90 度所糧測到的光強度值如下表(表 3-3)。
phase 0 30 90 intensity 12203 33449 53493
表3-3 不同相位的光強度值
當脈波產生器不輸入脈衝電壓時，也就是只有輸入電源供應器所 提供22.5伏特的電壓時，CCD 所量得之強度值為12168。
當相位為0度時得到的強度值減掉輸入電壓為22.5的強度值接 近於零。而30 度以及90度減掉輸入電壓為22.5伏特的光強度值在 下表(表3-4)。
phase 30 90 intensity 21281 41325
實際比例 1 1.94
理論比例 1 2
表3-4 相位為 30度與90度的實際比例與理論比例
上表中的數據為最接近的比值。是當輸入電壓為22.5伏特時所 得到的數據，是相對於其他電壓所得到最為接近比例值，我們則以此 點當作半導體雷射的臨界電壓值。
所以在此架構下，若要量測樣品，則之前必須先把供應雷射之供 應電壓調為 22.5 伏特而不加脈波產生器的電壓，這時半導體雷射因 自發放射使的電荷耦合元件(CCD)偵測到光強度值我們可以當作是 背景光強，爾後在照各個相位(0D、30D、90D與210D)的光強度值後必 須減去先前(供應電壓為 22.5 伏特、不加脈波電壓)的光強度值才可 以利用此數據來計算我們所需要的橢圓偏極參數Ψ與∆，再計算欲知 的光學參數。