Методичка КОЭ

Режим свободной генерации одиночных или периодически повторяющихся импульсов возможен при использовании импульсных ксеноновых ламп накачки. При работе ИАГ-лазеров в непрерывном режиме оптическая накачка осуществляется, как правило, с помощью мощных дуговых криптоновых ламп постоянного тока. Излучение криптоновых ламп лучше согласуется со спектральными линиями поглощения активной среды на основе кри-

сталла Y3Al5O12:Nd+3:Cr+3. Использование криптоновых ламп в 1,5 – 2 раза повышает КПД оптической накачки по сравнению со случаем использования ксеноновых ламп, увеличивая его до 40%. Достаточно высокая (порядка 20%) эффективность накачки достигается в случае использования излучения Солнца, что можно реализовать при построении лазеров для космических аппаратов. С приемлемым для практики КПД возможно применение галогенных ламп накаливания и ртутных капиллярных ламп для накачки маломощных ИАГ-лазеров. Самая высокая эффективность накачки получается при облучении активной среды гранатового лазера излучением инжекционного полупроводникового лазера на основе арсенида галлия. Путем легирования длину волны генерации полупроводникового лазера удается точно подогнать под основную линию поглощения Y3Al5O12:Nd+3:Cr+3. В результате резко повышается КПД системы накачки. Слабым местом этого метода являются относительно низкие уровни мощности генерации полупроводниковых лазеров, не превышающие на сегодняшний день единиц ватт.

При непрерывной накачке импульсный режим генерации ИАГ-лазера может быть реализован за счет модуляции добротности Q оптического резонатора. Модуляция добротности ОР осуществляется посредством периодического быстрого открывания оптического затвора, помещенного в ОР. Часто используются акусто-оптические затворы (АОЗ) на основе плавленого кварца. При приложении к пьезопреобразователю затвора высокочастотного (десятки МГц) управляющего напряжения в кварцевом блоке АОЗ возникает бегущая ультразвуковая волна, которая вызывает периодические изменения показателя преломления n вдоль оси, перпендикулярной потоку индуцированных квантов. Период Λ изменения n имеет порядок единиц микрометров. При падении на такую пространственно-неоднородную структуру излучения с длиной волны λ возникает дифракция Брэгга. В результате луч отклоняется от начального направления на угол, определяемый отношением λ/Λ и состав-

ляющий примерно 1,5о. Поскольку направление распространения пучка в ОР лазера детерминировано положением зеркал, то при подаче питания на за-

111

твор потери резко возрастают и генерация срывается. При выключении питания затвора дифракционные потери резко уменьшаются, добротность ОР скачком повышается и возникает импульс генерации лазера.

Благодаря этому процессы накопления возбужденных частиц на верхнем лазерном уровне и излучения индуцированных квантов при девозбуждении частиц разнесены во времени. Пока затвор закрыт (добротность ОР низка из-за больших потерь), плотность потока индуцированных квантов в АС мала. Следовательно, мала и вероятность индуцированных переходов с ВЛУ, а значит, на верхнем лазерном уровне происходит только накопление возбужденных частиц. Инверсия населенностей n рабочих уровней активной среды увеличивается до весьма большой величины (рис. 7.5). При открывании затвора скачкообразно уменьшаются потери и увеличивается добротность ОР. Начальный поток квантов, излучаемых накопленными активной средой частицами, оказывается значительным. В результате, вероятность индуцированных переходов сильно возрастает, эффективное время жизни возбужденных частиц на ВЛУ уменьшается и верхний лазерный уровень быстро (за доли микросекунды) опустошается вплоть до срыва генерации. Далее затвор запирается, и все процессы повторяются. Режим модуляции добротности иногда называют режимом генерации гигантских импульсов. Благодаря эф-

фекту накопления частиц и малым временам генерации tи амплитуда импульсов многократно возрастает.

При модуляции добротности оптического резонатора превышение амплитуды импульса достигает десятков-сотен раз над уровнем генерации в непрерывном режиме или в импульсном режиме свободной генерации. Естественно, что средний уровень мощности излучения лазера при введении в

оптический резонатор затвора несколько падает из-за вносимых им потерь. Рост n при закрытом затворе ограничен процессами спонтанного из-

лучения с ВЛУ. Поэтому, если период накопления Tн начнет превышать вре-

мя жизни частиц на верхнем уровне t2, спонтанное излучение с ВЛУ будет возрастать и компенсировать приход новых возбужденных частиц. В результате, при Tн > t2 амплитуда импульса излучения Pmax лазера будет оставаться постоянной, а энергия накачки станет расходоваться впустую. C повышением частоты F = 1/ Tн повторения импульсов уменьшается время накопления возбужденных частиц на ВЛУ. Как следствие падает уровень n, достигае-

112

мый к моменту открывания затвора, и снижается амплитуда импульса излучения. Соответственно падает и энергия импульсов W = Pmax tи.

Средняя мощность генерации лазера, определяется следующим образом: Р = W F = Pmax tи F. В области средних частот P слабо зависит от F. При малых F, когда Tн > t2 и Pmax ~ const, P растет синхронно с F. На повышенных частотах повторения импульсов P может снижаться за счет падения коэффициента превышения усиления над уровнем потерь в резонаторе.

Рис. 7.5. Временные диаграммы инверсии n и мощности излучения при частотах повторения: а – малых, б – больших

113

результате, нарушается ход лучей в ОР и растут потери когерентного излучения. С ростом температуры увеличивается также доля спонтанных и безызлучательных переходов, обедняющих канал индуцированных переходов в АС.

Контрольные вопросы

1.Объясните схему возбуждения АС ИАГ-лазера.

2.Как подбирается источник оптической накачки ИАГ-лазера?

3.Почему ИАГ-лазер способен работать в непрерывном режиме?

4.Чем определяется КПД АС ИАГ-лазера?

5.Дайте пояснения по конструкции ИАГ-лазера.

6.Как можно обеспечить максимальный КПД накачки ИАГ-лазера?

7.Почему в ИАГ-лазере используется двухконтурная схема водяного охлаждения?

8.Чем определяется длина волны генерации ИАГ-лазера?

9.Из каких соображений выбирается активаторы ТТЛ?

10.Как может влиять температурный режим на работу ИАГ-лазера?

11.Как реализуется режим модулированной добротности ТТЛ?

12.Чем определяется степень превышения импульсной мощности над средним уровнем?

13.Объясните зависимость средней мощности от частоты модуляции?

14.Объясните зависимость импульсной мощности от частоты.

15.Объясните идею работы акустооптического затвора?

16.Как с помощью электромеханического модулятора можно определить диаметр лазерного пучка?

17.Чем определяется форма импульсов механического модулятора?

18.Существует ли, на ваш взгляд, предельная частота в режиме модуляции добротности?

19.Как влияет время жизни ВЛУ на вид зависимости Pmax / P = f(F)?

7.3. Инжекционные полупроводниковые лазеры

Активные полупроводниковые среды могут возбуждаться оптическим методом, методом электронной бомбардировки и пропусканием прямого электрического тока через сформированный в активной зоне полупроводника р–n-переход. В настоящее время из всех типов полупроводниковых лазеров стадии промышленного изготовления и практического использования достигли лишь инжекционные лазеры (ИППЛ), возбуждаемые за счет пропус-

115

кании электрического тока через p-n–переход лазерного диода. Все серийные полупроводниковые лазеры являются инжекционными (ИППЛ). Преимуществами ИППЛ по сравнению с другими типами лазеров являются малые габариты, высокий КПД, широкая полоса частот модуляции излучения, возможность перестройки длины волны генерации, высокие удельные энергетические характеристики. Малые размеры излучающей области приводят к значительной дифракционной расходимости излучения ИППЛ, которую успешно уменьшают за счет использования встроенной короткофокусной микрооптики. Отдельные ИППЛ могут генерировать мощности в единицы…десятки ватт, лазерные сборки – десятки… сотни ватт и более. Указанные свойства вывели ИППЛ в последние годы на лидирующие позиции как по объёмам финансирования разработок и производства, так и по массовости применения.

При приложении к p-n-переходу прямого напряжения U потенциальный барьер снижается (компенсируется) на величину eU, тем самым обеспечивается протекание тока. Происходит инжекция неосновных носителей – электронов из n-области в p-область и встречная инжекция дырок. За счет инжекции неосновных носителей в n- и p-областях формируются неравно-

весные распределения с соответствующими квазиуронями Ферми Fe и Fp. Кванты в полупроводнике возникают в результате излучательной рекомбинации электронов с дырками. Длина волны λ излучения ИППЛ в первом приближении определяется энергетической шириной E запрещенной зоны используемого кристалла. По толщине d область рекомбинации ограничена длиной свободного пробега дырок порядка 10–6 м. Инверсное состояние по-

лупроводника соответствует условию Fe – Fp > E. Это означает, что на более высоком энергетическом уровне (на “дне” зоны проводимости) оказывается большее число электронов, чем на нижнем уровне (у “потолка” заполненной зоны). В этом случае процессы вынужденного излучения будут преобладать над процессами поглощения и возникнет усиление.

Прикладываемое к p-n–переходу напряжение не может быть больше E, поэтому ВАХ ИППЛ имеет участок насыщения.

Исторически первые и наиболее распространенные на сегодня ИППЛ на основе GaAs-GaAlAs генерируют в области 800...900 нм. Используются также лазерные материалы на основе GaP, JnP, GaN и другие. Благодаря прямому преобразованию тока в излучение ИППЛ обладают по сравнению с другими типами лазеров высоким КПД, низким энергопотреблением и высо-

116

кими значениями показателя κус усиления. Например, для инжекционного лазера на основе арсенида галлия κус достигает 104 м–1 при комнатной тем-

пературе и 106...107 м–1 при криогенной температуре. При столь высоком усилении обеспечиваются лазерный эффект в полупроводниковых элементах протяженностью в сотни микрометров и, соответственно, миниатюрность прибора в целом. Непрерывные ИППЛ обеспечивают мощность генерации на уровне 10-3...101 Вт.

Необходимую длину L активной среды получают сколом по граням кристалла (границам спайности), которые образуют зеркала ИППЛ. Лучевая стойкость граней к собственному излучению определяет предельную мощность P генерации. На грани могут наноситься просветляющие или отражающие покрытия. Когерентное излучение выходит в направлении оси z, перпендикулярной торцу излучающей области p-n–перехода лазерного диода. Толщина d области p-n–перехода составляет 0,2 ... 1 мкм, а ширина D не превышает единиц–десятков мкм. Для подавления поперечных типов колебаний нерабочие поверхности кристалла могут делаться шероховатыми.

Первые ИППЛ были созданы на основе p-n–гомопереходов, образованных в полупроводниковых соединениях одного типа. Они обладали низкими

генерационными характеристиками, большим пороговым током Iпор, малым КПД и требовали глубокого охлаждения. Высокие потери в первых полупроводниковых лазерах были обусловлены распространением излучения из активной области p-n–перехода в соседние неактивные области и последующим его поглощением. Кроме того, часть электронов за счет большой скорости проходили через активную зону, не рекомбинируя с дырками и, таким образом, не участвуя в генерации.

Для уменьшения токовых и оптических потерь в полупроводнике были предложены гетеропереходы: p-n– и p-p–переходы различных полупроводников, отличающихся шириной запрещенной зоны. В односторонней гетероструктуре (ОГС) активная область из GaAs p-типа ограничена с одной стороны эмиттером из GaAs n-типа, а с другой –GaAs-GaAlAs – тройным соединением того же типа проводимости, что и активный слой (рис. 7.6). Наличие потенциального барьера на гетеропереходе обеспечивает локализацию электронов, инжектируемых из эмиттера в активный слой. Показатель преломления n у активного слоя выше, чем у окружающих слоев, а значит, возможно

117

полное внутреннее отражение, и, следовательно, ОГС обладает волноводными свойствами.

Поскольку скачки показателя преломления на границах перехода не равны (Δn1 ≠ n2), образуется несимметричный волновод. Оптимальная толщина активного слоя ОГС – порядка 2 мкм. С уменьшением толщины d ОГС-слоя его волноводные свойства теряются; с увеличением d возрастает объем активности области и увеличивается пороговый ток Iпор, прямо пропорциональный d. ОГС используется в основном в импульсных лазерах, обеспечивая достаточно высокую импульсную мощность. Характерные частоты повторения импульсов составляют доли–десятки килогерц.

Рис. 7.6. Односторонняя гетероструктура

Непрерывные инжекционные лазеры строятся на основе двойной гетероструктуры (ДГС), в которой по сравнению с ОГС введен дополнительный слой легированного полупроводника GaAlAs n-типа, расположенный между эмиттером и активным слоем. В результате скачки показателя преломления

на границах выравниваются: n1 = n2. Формируется симметричный волновод, уменьшающий потери квантов. Оптимальная толщина d снижается до 0,25 мкм, и падает Iпор. Дальнейшее снижение Iпор достигается в полосковых лазерах (рис. 7.7) за счет уменьшения растекания тока по объему полупроводника. Ширина контактной полоски D составляет обычно единицы– десятки микрометров, в мощных ИППЛ 100 …50 мкм. Остальная часть верхнего кон такта изолирована от ДГС диэлектрическим покрытием.

К недостаткам полосковых ИППЛ относятся нелинейная энергетическая характеристика P = f(I), обусловленная отсутствием волноводных свойств активной зоны в направлении координаты у, возрастание Iпор за счет

118

растекания тока под металлический контакт при уменьшении ширины полоски ниже 10...20 мкм, а также многомодовый режим генерации. Волноводные свойства и по х, и по y, а также снижение Iпор до десятков миллиампер, реализуются в канальных лазерах. Их структура аналогична полосковым, но в них по координате y целенаправленным легированием создан двухсторонний по отношению к активной зоне скачок показателя преломления.

Контакт

SiO2

x

z

Спектр излучения ИППЛ зависит от соотношения усиления и потерь. До порога генерации излучение лазера носит спонтанный однопроходный характер и занимает всю полосу длин волн лазерного перехода. При превышении усиления над потерями спектральная линия излучения сжимается до единиц нанометров. Рост тока накачки сопровождается нагревом кристалла, вследствие чего потери в полупроводнике возрастают за счет активизации процессов безызлучательной рекомбинации и спонтанного излучения. Кроме того, повышение температуры полупроводника вызывает дрейф контура усиления в сторону больших значений длин волн.

Малые, сопоставимые с λ размеры d и D излучающей области приводят к сильной дифракционной расходимости θ пучка излучения ИППЛ. В допороговом режиме θ составляет десятки угловых градусов. С ростом усиления при переходе от спонтанного излучения к индуцированному диаграмма направленности ИППЛ в плоскости p-n–перехода сужается до единиц угловых градусов. В плоскости, перпендикулярной переходу, где λ ~ d, она сохраняется практически на начальном уровне. Уменьшение расходимости

119

пучка ИППЛ возможно при использовании встроенной короткофокусной оптики.

Излучение ИППЛ может успешно модулироваться током накачки, поскольку на рабочем участке зависимость P = f(I) достаточно близка к линейной. Диапазон частот модуляции, ограничиваемый в основном инерционностью процесса электронно-дырочной рекомбинации, рекордно велик и достигает единиц гигагерц.

ИППЛ используются в волоконно-оптических линиях связи; оптоэлектронных устройствах; устройствах считывания, обработки и воспроизведения информации; дальномерах малого радиуса действия; приборах ночного видения; устройствах посадки летательных аппаратов; стыковки космических объектов; в медицине и т. д. Основными путями развития ИППЛ

являются повышение срока службы до 104...105 ч, поиск новых активных сред в целях расширения диапазона длин волн генерации, снижение пороговой плотности тока до долей–единиц ампер на квадратный сантиметр и рабочих токов накачки до уровня, обеспечивающего согласование лазерных диодов с микросхемами.

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте условия усиления излучения в полупроводнике.

2.Что такое квазиуровни Ферми?

3.Чем определяется Iпор ИППЛ, и каковы пути его уменьшения?

1.Что такое односторонняя и двухсторонняя гетероструктуры?

2.Как реализуются раздельные фотонное и электронное ограничения в гетеролазерах?

3.Чем определяется длина волны генерации ИППЛ?

4.В чем причины высокого КПД ИППЛ?

5.Назовите основные виды потерь излучения в ИППЛ?

6.Почему различаются спектральные характеристики и диаграммы направленности излучения ИППЛ в допороговом и в лазерном режимах?

7.В чем состоит причина различия расходимости ИППЛ в плоскостях параллельной и перпендикулярной p-n–переходу?

8.Как влияет тепловой режим на характеристики излучения ИППЛ?

9.Чем ограничивается предельная мощность излучения ИППЛ?

10.Как возникает излучение в ИППЛ?

11.Что ограничивает протяженность активной среды ИППЛ?

Список литературы

120