Исследование параметров полупроводниковых лазеров а. С. Зл атов, А. П. Кушнаренко (СанктПетербургский государственный университет)
 Скачать 475.8 Kb.
|
67 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ А.С. Златов, А.П. Кушнаренко (Санкт-Петербургский государственный университет) Научный руководитель – кандидат физико-математических наук О.В. Андреева Приведены результаты исследования характеристик полупроводникового лазера типа KLM-650/3, вы- пускаемого фирмой «ФТИ-Оптроник», и их зависимости от тока через p-n-переход. Показано, что интен- сивность излучения, степень его линейной поляризации и степень монохроматичности коррелируют ме- жду собой и характеризуют степень когерентности излучения. Обсуждается возможность использования полупроводникового лазера в различных режимах работы в качестве источника излучения в голографи- ческом эксперименте. Введение Традиционно в качестве непрерывных источников излучения в областях научно- технической деятельности, связанных с голографией, интерферометрией, физической оптикой и т.п., используют газовые лазеры, обладающие высокой когерентностью и поляризованностью излучения, малой расходимостью пучка. Как правило, подобные лазеры представляют собой дорогостоящие, а зачастую и уникальные приборы. В ряде экспериментов требования к характеристикам излучения могут быть сни- жены, а качество измерений может быть обеспечено при использовании более дешевых источников излучения. Наиболее привлекательными с этой точки зрения являются по- лупроводниковые лазеры, широко распространенные в настоящее время. Параметры излучения промышленно выпускаемых лазеров (лазерных модулей) определяются свойствами используемых гетероструктур, конструктивными особенностями и усло- виями эксплуатации. В полупроводниковой активной среде можно достигнуть большого оптического усиления, что определяет возможность использования активных элементов малых раз- меров (длина резонатора 50 мкм – 1 мм) и обеспечивает компактность таких лазеров. Помимо компактности, особенностями полупроводниковых лазеров являются: высокий кпд (до 50%), возможность спектральной перестройки и большой выбор веществ для генерации в широком спектральном диапазоне (от 0,3 мкм до 30 мкм). Эти качества обеспечили полупроводниковым лазерам широкое применение в различных областях современной деятельности человека – 99,8% от всех выпускаемых в мире лазеров яв- ляются полупроводниковыми [1]. В настоящее время, несмотря на широкое распространение полупроводниковых ла- зеров, очень ограничена информация о параметрах лазеров различных типов. Ряд харак- теристик, имеющих большое значение для использования таких источников для научных исследований, производители не приводят и не контролируют. Данная работа посвящена исследованию свойств полупроводниковых лазеров типа KLM-650/3 (производитель «ФТИ-Оптроник», Санкт-Петербург) и их использованию в голографическом экспери- менте. Теоретическая часть Полупроводниковый лазер – лазер, активной средой которого является полупро- водниковый кристалл, а точнее, область p-n-перехода между двумя полупроводнико- выми кристаллами с разным типом проводимости. В полупроводниках энергетические уровни атомов образуют сплошные полосы, разделенные запрещенными зонами (рис. 1). Нижняя полоса энергетических уровней называется валентной зоной, верхняя – зоной проводимости или свободной зоной. Чтобы электрон попал в зону проводимо- 68 сти, ему необходимо сообщить энергию, равную ширине запрещенной зоны. При уходе электрона в зону проводимости в валентной зоне остается носитель положительного заряда – «дырка». Обратный переход электрона из зоны проводимости в валентную зо- ну приводит к его рекомбинации с «дыркой», избыток энергии при этом испускается в виде фотона. Рис. 1. Заселенность энергетических уровней p-n-структуры полупроводника: µ э – уровень Ферми для электронов проводимости, µ д – уровень Ферми для дырок, Е c – граница зоны проводимости, E v - граница валентной зоны. a) Полупроводник изолирован от внешних полей. b) Полупроводниковая p-n-структура с инверсной заселенностью, созданной внешним электрическим полем В современных полупроводниковых лазерах широко используются так называе- мые полупроводниковые гетероструктуры (комбинация близких по химическому со- ставу полупроводников, позволяющих создавать гетеропереходы), в разработку кото- рых значительный вклад внес отечественный ученый Ж.И. Алферов (Нобелевская пре- мия 2000 г.) [2]. Пример двойной гетероструктуры приведен на рис. 2. Рис. 2. Полупроводниковая двойная гетероструктура: 1 – проводящий металлизиро- ванный слой для создания электрического контакта; 2 – слой GaAs (n); 3 – слой Al 0.3 Ga 0.7 As (n); 4 – слой, соответствующий зоне инжекции носителей заряда (p-n- переход); 5 – слой Al 0.3 Ga 0.7 As (p); 6 – слой GaAs (p); 7 – непроводящий слой оксида ме- талла для ограничения тока через p-n-переход, формирующий зону генерации излуче- ния; 8, 9 – прилегающие слои для создания электрического контакта; 10 – подложка с теплоотводом Активными частицами в полупроводниковом лазере служат избыточные (нерав- новесные) электроны проводимости и дырки, которые могут инжектироваться, диф- фундировать и дрейфовать в активной среде. В инжекционных полупроводниковых ла- зерах накачка (создание инвертированной заселенности уровней) осуществляется путем инжекции неосновных носителей через p-n-переход. Последующая их рекомбинация позволяет осуществлять непосредственное преобразование электрической энергии в когерентное излучение. Параметры излучения (в первую очередь, его интенсивность – p p-n n µ э E c E v µ д µ э p p-n n E c E v E c E v µ д – + b a 13мкм 10 9 X 7 8 p 5 p 6 4 p-n 3 1 2 n n ∼ lмкм ∼0.1- 0.3мкм ∼ lмкм ∼ lмкм Y 69 рис. 3) зависят от интенсивности накачки, определяющей величину тока через p-n- переход. Параметры излучения полупроводникового лазера (как и величина оптическо- го усиления) зависят также от температуры окружающей среды и ряда факторов, свя- занных со свойствами используемых материалов [3]. Рис. 3. Зависимость мощности излучения полупроводникового лазера от тока через p-n-переход при различной температуре Рис. 4. Энергетическая схема двойной гетероструктуры. Ось Y и номера слоев соответствуют рис. 2. ЛЕ gc – ширина запрещенной зоны; ЛЕ gv – ширина запрещенной зоны p-n-перехода Основой инжекционного полупроводникового лазера является полупроводнико- вый кристалл (рис. 5), две плоскопараллельные грани которого, перпендикулярные плоскости p-n-перехода, являются зеркалами оптического резонатора. Генерация излу- чения возникает в том случае, если оптическое усиление превосходит потери энергии, связанные с выводом излучения наружу, поглощением и рассеянием внутри резонато- ра. Ток, соответствующий началу генерации, называется пороговым. Рис. 5. Принципиальная схема полупроводникового лазера: 1 – область p-n-перехода (активный слой); 2 – сечение лазерного пучка в плоскости Х-Y Генерируемое излучение имеет вид полоски, вытянутой вдоль p-n-перехода, и об- ладает довольно большой расходимостью, так как длина резонатора очень мала и малы Y слой (6) слой (3,4,5) Валентная зона Активный Прилегающий Прилегающий слой (2) ЛЕ ga ЛЕ gc Зона проводимости E X - Z 1 a p n b 2 Y + p-n 70 размеры выходного окна. Для формирования лазерного пучка малой расходимости ис- пользуются оптические системы, встроенные в корпус и жестко связанные с резонато- ром. Полупроводниковый кристалл-резонатор с оптической системой, формирующей лазерный пучок, конструктивно оформленные в виде единого элемента, в настоящее время принято называть лазерным модулем. Готовый к работе полупроводниковый ла- зер представляет собой лазерный модуль с источником питания. (Газовые гелий- неоновые лазеры также состоят из двух частей: головка лазера и блок питания). В данной работе исследована зависимость параметров излучения полупроводни- кового лазера в зависимости от тока через переход и рассмотрена возможность исполь- зования полупроводниковых лазеров (в различных режимах эксплуатации) для измере- ния параметров объемных голограмм, предъявляющих специфические требования к используемым источникам излучения. Объект исследования Объектом исследования является полупроводниковый инжекционный лазер на основе лазерного модуля KLM-650/3 (производитель – «ФТИ-Оптроник», Санкт- Петербург). Характеристики лазера: длина волны излучения – 650±5 нм, мощность из- лучения – 3 мВт, расходимость излучения – менее 0,5 мрад, режим питания – 3–4,5 В. Как было показано в предыдущей части, свойства излучения полупроводниковых инжекционных лазеров, включая интенсивность излучения (рис. 3), зависят от величи- ны тока, протекающего через p-n-переход. Поэтому для питания лазерного модуля бы- ла использована схема, представленная на рис. 6, которая позволяла регулировать ток через p-n-переход. Напряжение от источника питания (U ИП ) через резисторы R1 и R2 подается на лазерный модуль, при этом через p-n-переход начинает протекать ток I p-n , от величины которого зависит интенсивность генерируемого излучения. В работе вели- чина тока I ЛМ определялась по падению напряжения, которое измерялось вольтметром V 1 на известном сопротивлении R 1 Рис. 6. Электрическая схема, используемая для питания лазерного модуля KLM-650 Экспериментальные данные Зависимость интенсивности излучения лазера от тока через p-n-переход. Для снятия данной зависимости была использована установка, изображенная на рис. 7, с двумя узлами: узел источника излучения (слева) и узел приемника излучения (справа). В качестве приемника излучения был использован фотодиод ФД-24К с измерительным прибором (V 2 ). Полученная экспериментальная зависимость приведена на рис. 8. При малых плотностях тока через p-n-переход интенсивность излучения невелика, оно некогерентно и немонохроматично. При увеличении плотности тока, когда число фотонов, возникающих при рекомбинации, превышает число фотонов, поглощаемых в p n KLM + ИП - R 1 R п V 1 Т 71 2 3 1 веществе (пороговое значение тока), интенсивность излучения резко возрастает – оно становится когерентным, в связи с чем изменяются и другие его характеристики – сте- пень поляризации и степень монохроматичности, о чем будет сказано далее. Рис. 7. Экспериментальный стенд для проведения измерений зависимости интенсив- ности излучения и степени его поляризации от тока через p-n-переход I, отн. ед. ; P 1,0 0,8 0,6 ∆λ⁄λ, 10 −3 25 20 15 0,4 10 0,2 5 0,0 0 15 20 25 30 35 40 J, mA Рис. 8. Зависимость характеристик излучения полупроводникового лазерного модуля KLM- 650 от тока, протекающего через p-n-переход: 1 – интенсивность (I); 2 – степень линейной поляризации (P); 3 – степень монохроматичности (∆λ/λ) Поляризация излучения лазера и ее зависимость от тока через p-n-переход. Измерения зависимости степени поляризации излучения лазера от тока через p-n- переход были проведены на установке, представленной на рис. 7. Схема измерения включала, кроме источника и приемника излучения, также анализатор (поляроид), рас- положенный между ними. С помощью анализатора определялась степень линейной по- ляризации излучения по формуле p = I || − I ⊥ , I || + I ⊥ где I – значения интенсивности лазерного излучения, прошедшего анализатор при ус- ловии совпадения колебаний электрического вектора линейно поляризованной компо- ненты излучения с оптической осью поляризатора; I ⊥ – интенсивность компоненты, ли- нейно поляризованной ортогонально оптической оси поляризатора. Полученные зависимости представлены на рис. 8 (кривая 2) и на рис. 9. 72 Как видно из полученных данных, в номинальном режиме работы излучение лазе- ра практически полностью линейно поляризовано. Как известно [3], степень поляриза- ции излучения лазера определяется поляризационной селективностью резонатора, а также геометрией и размерами «выходного окна» в области p-n-перехода и зависит от мощности генерируемого излучения. В связи с этим можно предполагать, что снижение степени поляризации при уменьшении тока через p-n-переход коррелирует со снижени- ем степени когерентности лазерного излучения, как это следует из теоретического рас- смотрения. Рис. 9. Зависимость интенсивности излучения лазера от угла поворота анализатора при различных значениях тока, протекающего через p-n-переход («0» – положение анализатора, при котором направление электрического вектора в поляризованной компоненте совпадает с оптической осью анализатора) Зависимость степени монохроматичности излучения лазера от тока через p-n- переход. Как известно, спектральные характеристики излучения лазера определяются уровнем накачки. Поэтому в данной работе спектральный состав излучения был иссле- дован при различных значениях тока через p-n-переход. Принципиальная схема эксперимента для исследования спектральных характери- стик излучения лазерного модуля дана на рис. 10. При проведении измерений излуче- ние исследуемого лазера (1) проходит через нейтральный фильтр (3) и попадает на входную щель монохроматора МДР-3 (4), сигнал усиливается фотоэлектронным умно- жителем ФЭУ-100 (5), попадает на АЦП и регистрируется компьютером. Линейная дисперсия МДР-3 в красной области спектра обеспечивает разрешение 1,0 Å. Спек- тральный состав исследуемого излучения в виде спектрограммы подвергался дальней- шей компьютерной обработке. Рис. 10. Схема экспериментальной установки для исследования зависимости спек- тральных характеристик излучения лазерного модуля от тока через p-n-переход. 1 – полупроводниковый лазерный модуль, 2 – питание лазерного модуля, а – потенциометр, б – батарея, 3 – фильтр, 4 – монохроматор (МДР-3), 5 – ФЭУ-100, 6 – АЦП, 7 – компьютер I, отн. ед. 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 а, град. I=15,1 mA I=27,9 mA I=30,1 mA I=32,4 mA I=35,7 mA I=39,6 mA а б 2 6 5 4 3 1 7 73 Результаты проведенных экспериментов представлены на рис. 11. Как видно из приведенных экспериментальных данных, представляющих собой серию измерений, проведенных в идентичных условиях, спектральный состав излучения лазера может значительно изменяться при изменении величины тока через p-n-переход, при этом центр спектрального интервала не сдвигается и находится при λ = 652 нм. Ширина спектрального интервала (∆λ) определялась по полуширине спектрального распределе- ния и приведена на рис. 11. Спектральный состав излучения лазера принято характеризовать степенью моно- хроматичности излучения ∆λ/λ. Зависимость этой величины от тока через переход при- ведена на рис. 8 (кривая 3). В номинальном режиме работы лазер имеет степень моно- хроматичности 5⋅10 -4 , что типично для лазеров данного типа. В режиме работы свето- диода ширина спектрального интервала излучения лазерного модуля может достигать 15 нм и более. Как следует из полученных экспериментальных данных, при изменении тока че- рез p-n-переход изменяются такие важные характеристики излучения лазера, как его интенсивность, степень линейной поляризации, степень монохроматичности. Измене- ния перечисленных характеристик коррелируют между собой и, несомненно, коррели- руют с изменением степени когерентности излучения, как это следует из теоретическо- го рассмотрения. I , от н. ед. J, мА ЛЛ, нм 1 7 6 1 16 15,3 2 18 11,8 0,5 5 3 20 9,5 2 4 4 21 7,8 1 3 5 22 5,8 0 6 23 2,9 7 32 0,3 640 645 650 655 660 Л ,нм Рис. 11. Спектральный состав излучения полупроводникового лазерного модуля KLM- 650 при различных значениях тока, протекающего через p-n-переход. За единицу относительной интенсивности принята максимальная интенсивность кривой 6. Макси- мальная интенсивность кривой 7 составляет 20 отн. ед. Возможность использования полупроводникового лазера для исследования пара- метров объемных голограмм-решеток Традиционно в качестве непрерывных источников излучения в голографии ис- пользуют газовые лазеры, обладающие высокой когерентностью и поляризованностью излучения, малой расходимостью пучка. Подобные лазеры представляют собой дорого- стоящие приборы и в первую очередь необходимы для записи голограмм. При исследовании голограмм и измерении ряда параметров требования к характе- ристикам излучения могут быть снижены, а качество измерений может быть обеспече- но при использовании более дешевых источников излучения. С этой точки зрения бы- ли проанализированы параметры излучения полупроводникового лазера и рассмотрена возможность использования таких лазеров для измерения параметров объемных голо- 74 грамм, предъявляющих специфические требования к используемым источникам излу- чения. Для измерения параметров объемных голограмм, обладающих высокой селектив- ностью, необходимо использовать излучение, пространственная расходимость которого существенно меньше угловой селективности исследуемой голограммы. Поэтому стан- дартные приборы неприменимы. Удовлетворить данному требованию можно при ис- пользовании коллимированного, как правило, лазерного излучения. На практике используются два основных метода исследования объемных голо- грамм, которые формируют требования к освещающему излучению. 1. Освещение голограммы проводится монохроматическим излучением, спек- тральный состав которого существенно меньше спектральной селективности голограм- мы. Этот метод используется при исследовании угловой селективности голограммы. 2. Освещение голограммы проводится широкополосным излучением, спектраль- ный состав которого значительно больше спектральной селективности голограммы. Этот метод используется при исследовании спектральной селективности голограммы. Измерение угловой селективности. Для измерения угловой селективности объ- емных голограмм используется режим генерации когерентного излучения, при котором ширина спектра менее 0,3 нм, а расходимость пучка не превышает 0,5 мрад. Методика измерений описана в работе [4]. В данной работе регистрировалась зависимость интен- сивности дифрагированного излучения от угла падения освещающего излучения на по- верхность голограммы I 8 (0). Значение угловой селективности (∆θ) определяется из контура угловой селективности I 8 (0) по уровню 0,5 от максимального значения. Как показали измерения, проведенные с использованием полупроводникового лазера KLM- 650 и газового гелий-неонового лазера ЛГН, полупроводниковый лазер можно использовать наравне с газовым при исследовании голограмм-решеток с угловой селек- тивностью не ниже 2 мрад (голограммы-решетки с пространственной частотой порядка 300 мм –1 и толщиной порядка 1мм). Измерение спектральной селективности. Для измерения спектральной селек- тивности объемных голограмм был использован режим, при котором спектральный со- став излучения полупроводникового лазера равен 9,5 нм, а угловая расходимость менее 0,5 мрад. Принципиальная схема эксперимента аналогична схеме для измерения спектраль- ного состава излучения (рис. 10) и описана в работе [5]. Для измерения спектральной селективности исследуемая голограмма устанавли- вается на место светофильтра в положение, когда дифракция на решетке отсутствует. При отсутствии дифракции излучение проходит голограмму без изменений. Произво- дится запись спектрального распределения интенсивности излучения лазерного модуля (спектр №1). Далее голограмма устанавливается в положение, соответствующее вы- полнению условия Брэгга для длины волны в центральной части спектра источника из- лучения. Производится запись прошедшего голограмму излучения I 0-Br (спектр №2). Спектр дифрагированного излучения I д ( λ ) получается путем вычитания спектра №2 из спектра №1 (спектр №3) и учета спектральной интенсивности исходного излучения и чувствительности установки (спектр №4). Значение спектральной селективности (Лл изм ) определяется из контура спектральной селективности (спектр №4) по уровню 0,5 от максимального значения. Результаты измерений спектральной селективности объемных голограмм-решеток с различной пространственной частотой представлены в табл. 1. Представлены также результаты измерений угловой селективности и расчетов спектральной селективности ( ∆λ расч ) по данным измерения угловой селективности. 75 Рис. 12. Спектральное распределение интенсивности излучения, прошедшего через го- лограмму. 1 – Л Br вне рассматриваемой спектральной области, 2 – Л Br внутри рассматри- ваемой спектральной области, 3 – дифференциальный спектр, соответствующий разно- сти спектров 1 и 2; 4 – рассчитанный контур спектральной селективности голограммы Параметры объемных голограмм Измеренные Рассчитанные Образец № ν, мм -1 ∆θ , мрад ∆λ изм , нм ∆λ расч , нм 1 640 1,60±0,05 5,3±0,4 4,9±0,3 2 640 1,50±0,05 4,5±0,4 4,7±0,2 3 790 0,90±0,05 3,4±0,4 2,8±0,3 4 1100 0,50±0,05 1,3±0,4 1,5±0,2 Таблица 1. Экспериментальные результаты Как видно из приведенных данных, измеренные в данной работе значения спек- тральной селективности (Лл изм ) совпадают в пределах погрешностей измерений с вели- чинами, рассчитанными по данным измерений угловой селективности (Лл расч ), что го- ворит о достоверности полученных данных. Разработанная методика позволяет использовать в схемах для голографических измерений относительно дешевые и доступные полупроводниковые источники излуче- ния, в то время как известные методики измерений спектральной селективности объем- ных голограмм используют в качестве источников излучения такие уникальные прибо- ры, как фемтосекундный лазер [6] и лазер на красителе с эксимерной накачкой [7]. Заключение В работе проведены исследования характеристик полупроводникового лазера типа KLM- 650/3, выпускаемого фирмой «ФТИ-Оптроник», для использования таких источ- ников излучения в научном эксперименте. Разработана методика измерения спектральных характеристик излучения полу- проводникового лазера, получены экспериментальные результаты, позволяющие оце- нить ширину спектра излучения при различных режимах работы лазерного модуля. Получены экспериментальные зависимости интенсивности излучения лазерного модуля, степени его линейной поляризации и степени монохроматичности от тока че- рез p-n-переход. Показано, что данные зависимости коррелируют между собой и ха- рактеризуют степень когерентности излучения. Приведены результаты использования полупроводникового лазера в различных режимах работы для исследования параметров объемных голограмм-решеток. Разработанные методики являются основой для дальнейшего исследования харак- теристик полупроводниковых лазеров и лазерных модулей различных типов. Несо- 660 Л ,нм 650 0 640 3 4 0,5 2 1 I ,отн. ед. 1 76 мненно, это послужит более широкому использованию полупроводниковых лазеров как наиболее доступных источников когерентного монохроматического излучения в науч- ном эксперименте и других научно-технических приложениях. Литература 1. Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. Прохоров А.М. 4-е изд. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. С. 570–572. 2. Алферов Ж.И. Перспективы электроники в России. Гетероструктурная электроника и акустоэлектроника. // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2004. №6. С. 90–93. 3. Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1984. 4. Андреева О.В., Бандюк О.В., Парамонов А.А. и др. Объемные пропускающие голо- граммы в полимерной среде с фенантренхиноном. // Оптический журнал. 2000. Т.67. №12. С. 27–33. 5. Андреева О.В., Артемьев С.В., Капорский Л.Н., Кушнаренко А.П. Использование полупроводниковых источников излучения при исследовании спектральной селектив- ности объемных голограмм. // Оптический журнал. 2005. Т. 72. №3. С. 31–33. 6. Андреева О.В., Беспалов В.Г., Васильев В.Н., Городецкий А.А., Кушнаренко А.П., Лукомский Г.В., Парамонов А.А. Исследование спектральной селективности объемных голограмм с помощью импульсного излучения фемтосекундной длительности. // Опти- ка и спектроскопия. 2004. Т.96. №2. С. 190–196. 7. Суханов В.И., Ащеулов Ю.В., Петников А.Е., Лашков Г.И. Трехмерная голограмма на реоксане как узкополосный спектральный селектор. // Письма в ЖТФ. 1984. Т.10. Вып.15. С. 925–928. Авторы выражают благодарность руководителю работы О.В. Андреевой и со- трудникам, которые принимали участие в проведении эксперимента – Л.Н. Капорско- му, А.А. Парамонову, С.В. Артемьеву, О.В. Бандюк. |