Содержание. Техническое задание Введение Структура лазера Активная среда полупроводникового лазера Система накачки полупроводникового лазера Резонатор полупроводникового лазера Потери в резонаторе
 Скачать 0.87 Mb.
|
|
4. Система накачки полупроводникового лазера Накачка создает инверсную заселенность в активных средах, причем для каждой среды выбирается наиболее удобный и эффективный способ накачки. В твердотельных и жидкостных лазерах используют импульсные лампы или лазеры, газовые среды возбуждают электрическим разрядом, полупроводники – электрическим током. В полупроводниковых лазерах используется накачка электронным пучком (для полупроводниковых лазеров из беспримесного полупроводника) и подачей прямого напряжения (для инжекционных полупроводниковых лазеров). Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 4.1) или продольной (рис. 4 .2). При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улучшается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера - лазер на сульфиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%.  Рис. 4.1 - Поперечная накачка электронным пучком  Рис. 4.2 - Продольная накачка электронным пучком В инжекционном лазере имеется p-n-переход, образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками. При подаче прямого напряжения понижается потенциальный барьер в p-n-переходе и происходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение (рис. 4.3).  Рис. 4.3 - Принцип устройства инжекционного лазера Накачка обеспечивает импульсный или непрерывный режим работы лазера. 5. Резонатор полупроводникового лазера Резонатор представляет собой пару зеркал, параллельных друг другу, между которыми помещена активная среда. Одно зеркало ("глухое") отражает весь падающий на него свет; второе, полупрозрачное, часть излучения возвращает в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. В качестве "глухого" зеркала нередко используют призму полного внутреннего, в качестве полупрозрачного – стопу стеклянных пластин. Кроме того, подбирая расстояние между зеркалами, резонатор можно настроить так, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (так называемую моду). Простейшим оптическим резонатором, широко применяемым во всех видах лазеров, служит плоский резонатор (интерферометр Фаби – Перо), состоящий из двух плоскопараллельных пластин, расположенных на расстоянии друг от друга. В качестве одной пластины можно использовать глухое зеркало, коэффициент отражения которого близок к единице. Вторая пластина должна быть полупрозрачной, чтобы генерируемое излучение могло выйти из резонатора. Для увеличения коэффициента отражения поверхностей пластин на них обычно наносятся многослойные диэлектрические отражающие покрытия. Поглощение света в таких покрытиях практически отсутствует. Иногда отражающие покрытия наносятся непосредственно на плоскопараллельные торцы стержней активной среды. Тогда необходимость в выносных зеркалах отпадает.  Рис. 5.1. Типы оптических резонаторов: а – плоский, б – призменный, в – конфокальный, г – полуконцентрический, д – составной, е – кольцевой, ж,з – скрещенные, и – с брэгговскими зеркалами. Заштрихованы активные элементы. В качестве глухого зеркала в оптическом резонаторе можно использовать прямоугольную призму (рис. 5.1, б). Лучи света, падающие перпендикулярно к внутренней плоскости призмы, в результате двукратного полного отражения выходят из нее в направлении, параллельном оси резонатора. Вместо плоских пластин в оптических резонаторах могут использоваться вогнутые полупрозрачные зеркала. Два зеркала с одинаковыми радиусами кривизны, расположенные так, что их фокусы находятся в одной точке Ф ( рис. 5.1, в), образуют конфокальный резонатор. Расстояние между зеркалами l=R. Если это расстояние уменьшить в два раза так, чтобы фокус одного зеркала оказался на поверхности другого, то получится софокусный резонатор. Для научных исследований и различных практических целей применяются более сложные резонаторы, состоящие не только из зеркал, но и других оптических элементов, позволяющих контролировать и изменять характеристики лазерного излучения. Например, рис. 5.1, д. – составной резонатор, в котором суммируется генерируемое излучение от четырех активных элементов. В лазерных гироскопах используется кольцевой резонатор, в котором два луча распространяются в противоположных направлениях по замкнутой ломаной линии (рис. 5. 1,е). Для создания логических элементов вычислительных машин и интегральных модулей используются многокомпонентные скрещенные резонаторы (рис. 5.1. ж,з). Это по существу совокупность лазеров, допускающих их селективное возбуждение и объединенных вместе сильной оптической связью. Особый класс лазеров составляют лазеры с распределенной обратной связью. В обычных оптических резонаторах обратная связь устанавливается из-за отражения генерируемого излучения от зеркал резонатора. При распределении обратной связи отражение происходит от оптически неоднородной периодической структуры. Примером такой структуры служит дифракционная решетка. Она может быть создана механическим путем (рис. 5.1, и) или селективным воздействием на однородную среду. Используются и другие конструкции резонаторов. По определению, к элементам резонатора необходимо относить также пассивные и активные затворы, модуляторы излучения, поляризаторы и другие оптические элементы, применяемые при получении генерации. 6. Потери в резонаторе Генерацию излучения упрощенно можно представить так: рабочее вещество лазера помещают в резонатор и включают систему накачки. Под действием внешнего возбуждения создается инверсная населенность уровней, а коэффициент поглощения в некотором спектральном интервале становится меньше нуля. В процессе возбуждения, еще до создания инверсной населенности, рабочее вещество начинает люминесцировать. Проходя через активную среду, спонтанное излучение усиливается. Величина усиления определяется произведением коэффициента усиления на длину пути света в активной среде. В каждом типе резонаторов имеются такие избранные направления, что лучи света вследствие отражения от зеркал проходят через активную среду в принципе бесконечное число раз. Например, в плоском резонаторе через активную среду могут пройти только лучи, распространяющиеся параллельно оси резонатора. Все остальные лучи, падающие на зеркала под углом к оси резонатора, после одного или нескольких отражений выходят из него. Так появляются потери. Выделяют несколько видов потерь на резонаторе: 6.1.Потери на зеркалах. Поскольку часть генерируемого в среде излучения необходимо вывести из резонатора, применяемые зеркала (по крайней мере одно из них) делаются полупрозрачными. Если коэффициенты отражения зеркал по интенсивности равны R1 и R2 , то коэффициент полезных потерь на выход излучения из резонатора в расчете на единицу длины будет задаваться формулой:  6.2.Геометрические потери Если луч распространяется внутри резонатора не строго нормально поверхностям зеркал, то после определенного числа отражений он достигнет краев зеркал и покинет резонатор. 6.3. Дифракционные потери. Рассмотрим резонатор, образованный двумя плоскопараллельными круглыми зеркалами радиусом a. Пусть на зеркало 2 падает параллельный пучок излучения с длиной волны λ. Пучок отражается от зеркала и одновременно дифрагирует в угол порядка d ϕ ≈ λ a . Числом Френеля для данного резонатора называется число проходов между зеркалами, когда итоговая расходимость пучка достигнет угла выхода излучения за края зеркал ϕ=a/L 6.4.Рассеяние на неоднородностях активной среды. Если резонатор заполнен активной средой, то возникают дополнительные источники потерь. При прохождении излучения через активную среду часть излучения рассеивается на неоднородностях и посторонних включениях, а также ослабляется в результате нерезонансного поглощения. Под нерезонансным поглощением понимают поглощение, связанное с оптическими переходами между уровнями, не являющимися рабочими для данной среды. Сюда же могут быть отнесены потери, связанные с частичным рассеянием и поглощением энергии в зеркалах. 7. Условия начала генерации Процесс излучательной рекомбинации обусловлен спонтанными переходами зона-зона. При некоторых условиях в полупроводниках могут наблюдаться индуцированные переходы, при которых возникают индуцированные кванты света, имеющие одинаковые частоту и фазу с индуцирующими. Условия возникновения индуцированного (лазерного излучения): 1.Наличие активной среды, способной обеспечить генерацию вынужденного, индуцированного излучения. 2.Наличие механизма возбуждения активной среды, или накачки, создающего инверсную населенность энергетических уровней. Для полупроводниковых лазеров – инжекция носителей заряда через р-n-переход. 3.Наличие положительной обратной связи, для чего часть сигнала возвращается обратно в кристалл для дополнительного усиления. Одним из наиболее распространенных методов реализации является использование резонатора Фабри-Перо – системы из двух плоскопараллельных зеркал, обеспечивающей многократное прохождение оптического излучения через активное вещество. Для вывода излучения одно из зеркал делают полупрозрачным. В полупроводниковом лазере резонатором служат параллельные грани самого кристалла, создаваемые путем скола. 4.Обеспечение условий ограничения: А) электрическое – состоит в необходимости обеспечить протекание максимальной доли электрического тока, проходящего через кристалл, непосредственно через активную область; Б)– электронное – требует предотвратить "растекание" возбужденных электронов из активной среды в пассивные области кристалла; В)– оптическое – состоит в необходимости удержания светового луча в активной среде при многократных проходах через кристалл; в инжекционных лазерах обеспечивается за счет того, что активная область имеет несколько больший показатель преломления из-за разницы в характере и степени легирования областей кристалла, при этом возникает эффект самофокусировки луча. Требования электрического и электронного ограничения являются специфическими, характерными только для полупроводниковых лазеров. Для полупроводникового лазера границы оптического канала не обязательно должны совпадать с областью электронного ограничения. 5.Наличие порога возбуждения, который возникает за счет различного рода потерь: поглощения части излучения, разогрева кристалла, неидеальности зеркал резонатора, спонтанного излучения краевых дефектов и т.д. Необходимость восполнить энергию, расходуемую на эти потери, и объясняет наличие порога лазерной генерации. 8. Условие лазерной генерации и порог возбуждения Чтобы превратить усилитель оптического излучения в генератор, необходимо организовать петлю положительной обратной связи. Наиболее просто это сделать, если поместить активную среду в оптический резонатор – между двумя зеркалами, плоскости которых взаимно параллельны. Для каждой резонансной частоты резонатора устанавливается равновесная плотность оптической мощности, соответствующая равенству усиления на проход и общих потерь излучения (включающих энергию выходного луча лазера). Генерация не может начаться, пока коэффициент усиления не превысит потери, т.е. пока уровень инверсии населенности не превысит порог  . Порог генерации – это энергия, поступающая от источника накачки, при которой коэффициент лазерного усиления на частоте генерации  равен общему коэффициенту потерь  в оптическом резонаторе на этой же частоте. Коэффициент усиления зависит от инверсной населенности – для полупроводникового лазера определяется концентрацией избыточных носителей или плотностью тока, протекающего через p-n-переход. Плотность тока, при которой выполняется равенство = , называется пороговой.9. Основные параметры и характеристики полупроводниковых лазеров Ватт-амперная характеристика – зависимость мощности излучения от тока накачки (рис. 8.1)  Рис. 9.1. Ватт-амперная характеристика. На типичной ватт-амперной характеристике гетеролазера можно выделить три участка: 1.Светодиодный режим – участок, на котором преобладает спонтанное излучение, смещение структуры еще не велико и инверсная населенность не достигнута. Лазер в этом режиме аналогичен светодиоду с торцевым выходом излучения; 2.Режим суперлюминесценции – доля индуцированных переходов уже сравнима с величиной спонтанного излучения; 3. Режим лазерной генерации – мощность излучения на этом участке существенно выше, чем на первых двух, а зависимость мощности излучения от силы тока практически линейна. Спектральная характеристика – зависимость мощности излучения от длины волны; определяется током накачки (режимом работы лазера). В светодиодном режиме ширина спектра максимальна, а сама кривая имеет гладкий непрерывный характер (рис. 9.2)  Рис. 9.2. Спектральная характеристика в светодиодном режиме. При приближении величины тока накачки к  (соответствует режиму суперлюминесценции), ширина спектра существенно уменьшается.В режиме лазерной генерации кривая имеет ярко выраженные спектры отдельных мод, возникающие из-за неидеальности оптического резонатора (рис. 9.3). Ширина спектра при этом обычно не превышает нескольких нанометров, а ширина спектральной линии отдельной моды менее 0,01 нм (рис. 9. 4)  Рис. 9. 3. Спектральная характеристика в режиме лазерной генерации.  Рис. 9. 4. Ширина спектра одной моды По виду спектральной характеристики лазеры подразделяются на: 1.Одномодовые – основная мощность излучается на одной моде, а все остальные имеют существенно меньшую амплитуду (рис. 9. 5)  Рис. 9. 5. Спектральная характеристика одномодового лазера 2.Многомодовые – имеется несколько мод излучения, сравнимых по амплитуде (рис. 9. 6).  Рис. 9. 6. Спектральная характеристика многомодового лазера. Частотная характеристика – зависимость значения амплитуды импульса оптического излучения от частоты модуляции (рис 9. 7.)  Рис. 9. 7. Частостная характеристика лазера. Резонансный характер АЧХ лазера объясняется тем, что рост концентрации носителей в активной области, вызванный увеличением модулирующего тока, происходит с некоторой задержкой. Повышение концентрации вызывает рост рекомбинационного излучения, которое, опять с задержкой, увеличивает индуцированную рекомбинацию, что приводит к падению концентрации носителей. Наличие задержек приводит к переходу через равновесное состояние и процесс становится колебательным – явление электрон-фотонного резонанса. Переходная характеристика – характеризует импульсный режим работы; из-за явления электрон-фотонного резонанса имеет релаксационные колебания. Ток смещения желательно поддерживать возможно ближе к пороговому для уменьшения времени переходных процессов и повышения быстродействия. При импульсной модуляции даже лазеры, стационарное излучение которых является одномодовым, оказываются многомодовыми в течение нескольких наносекунд при импульсном переходе через порог лазерной генерации. |