ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-12

«Устройство и действие лазерных систем»

Лекция 12: Оптика лазеров (3)

11.1. Характеристики излучения п/п лазеров 11.2. Расходимость излучения 11.3. Оптическое качество активной среды

Характеристики излучения п/п лазеров (2)

Размеры активной среды п/п лазеров имеют очень небольшие размеры, сравнимые с длиной волны излучения, поэтому формирование излучения в них может сильно отличаться от остальных типов лазеров.

В обычной конфигурации в них используют резонатор Фабри-Перо, где зеркалами служат сколотые отполированные грани кристалла с нанесенным на них отражающим покрытием. Из-за небольшой высоты активной среды и изменению коэффициента преломления за счет легирования по ширине активной среды, выходной пучок может состоять из одной поперечной моды с эллиптическим профилем пучка размером ~ 1 × 5 мкм.

Расходимость пучка по двум осям определяется дифракцией: 2 × ϴ ≈ λ / d, поэтому уже на расстояниях в несколько десятков микрон от п/п эллиптичность пучка поворачивается на 90º и для компенсации астигматизма пучка требуются специальные оптические системы. Например, для устранения асимметрии эллиптический гауссов пучок света с помощью скрещенных цилиндрических линз преобразуются в пучок круглого сечения в результате чего можно получить почти идеальный круг.

Характеристики излучения п/п лазеров (3)

Несколько сложнее ситуация с продольными модами. Для резонатора, заполнененного активной средой с резонатором

v = c/(2L × n), где n – показа-

тель преломления материала активной

среды. Для лазерных диодов n ≈ 3 – 4.

ТТЛ n ≈ ̴1.5 – 2.0, газов n ≈ 1.0 – 1.2.

Фабри-Перо с L ~ 500 мкм оказывается, что, несмотря на то, что относитель-

ная спектральная ширина линии Δν/ν

мала (~ 10-3), ее абсолютное значение

~ 400 Ггц, достаточно чтобы внутри

Характеристики излучения п/п лазеров (4)

Согласно теории Брэгга о рассеянии света на периодических структурах, прямой и обратный пучки лазера будут эффективно складываться друг с другом в фазе, если длина волны

излучения в свободном пространстве будет удовлетворять условию: λ = λБ = 2{nэфф} × Λ,

где Λ – пространственный период гофрировки, а некоторое усреднение по координате периодической функции nэфф. При определенных допущениях это условие Брэгга можно

представить как {nэфф} × Λ/2 = λ/4,

означающее, что для заданного периода Λ существует только одна длина волны, ему удовлетворяющая.

Если в одном из внешних слоев активной среды РОС-лазера имеется структура с периодически изменяющейся толщиной (гофрированная), то в генерации будет участвовать только одна единственная мода (при выполнении соответствующего порогового условия для ее возникновения).

Изготовление лазеров с равномерной решеткой и тем более со сдвигом на λ/4 – весьма непростая технологическая задача. Период решетки должен иметь субмикронный размер и,

например для InGaAsP лазера с длиной волны 1550 нм {nэфф} = 3.4, а Λ ≈ 0.23 мкм

Характеристики излучения п/п лазеров (5)

На рис. приведена схема лазера с распределенным брэгговским отражением (РБО) в котором две крайние части резонатора выполняются в виде пассивных секций, в которых при соответствующим гофрировании эффективный показатель преломления будет модулирован с периодом Λ в продольном направлении. В этом случае отражающая способность двух торцевых секций будет обусловлена интерференцией,

которая возникает в этих областях при выполнении условия Брэгга {nэфф} × Λ/2 = λ/4. Преимуществом по сравнению с РОС-лазерами является то, что решетка изготавливается в области, отделенной от активного слоя, а недостатком меньшая избирательность, особенно при сильных изменениях температуры.

Характеристики излучения п/п лазеров (6)

На рис. представлена схема лазера с вертикальным резонатором, использующим в качестве АС три слоя

In0.2Ga0.8As/GaAs структуры с напряженными квантовыми

ямами (толщина каждого слоя – 8 нм). Эти три активных слоя расположены между

слоями Ga0.5Al0.5As для того, чтобы набрать толщину в

одну длину волны. Нижнее

и верхнее зеркала выполнены из многослойных брэгговских отражателей n - и р – типов, обеспечивающих очень высокий коэффициент отражения (~ 99%) для каждого из зеркал. Диаметр круглой поверхности, через которую протекает ток (5…10 мкм), поэтому такие лазеры работают с одной поперечной модой ТЕМ00. Из-за короткой длины резонатора (1…2 мкм) потери на рассеяние и поглощение в активном слое малы, пороговый ток оказывается очень небольшим ~ 1 мА), и продольные моды достаточно далеко отстоят друг от друга (Δλ ≈ 100 нм).

Характеристики излучения п/п лазеров (7)

Так, что если одна мода совпадает с пиком отражения каждого из четвертьволновых слоев, то две соседние моды выпадают из полосы высокого отражения зеркал и генерация возникает только на одной длине волны. Изготовление таких лазеров очень непростая технологическая задача, главная из которых высокая точность изготовления резонатора требуемой длины, чтобы только одна продольная мода попала в центр полосы высокого отражения зеркал. Уже полученные КПД таких лазеров достаточно высоки (до 50%), хотя мощность излучения пока ограничена 1 мВт, что объясняется тепловыми проблемами из-за очень малых объемов. Приходится составлять матрицы (например, 8 × 8).

На рис схема лазера с вертикальным резонатором (ЛВР) и результаты испытаний. Измеренный

спектр отражения (сплошная линия) хорошо соответствует расчетному (штриховая линия) и

содержит резонанс интерферометра Фабри

–Перо вблизи 965 нм, положение которого совпадает с максимумом спектра люминесценции. Длина волны генерации ЛВР соответствует положению резонанса интерферометра.

(а) – схема, (б) – спектр отражения (R)

отражающего покрытия

на выводном зеркале, спектр люминесценции (E) и спектр излучения ЛВР (G).

Расходимость излучения лазеров (1)

Измерение расходимости

Элементарно, расходимость лазерного луча может быть вычислена путем измерения диаметра луча в двух точках на известных расстояниях, как показано на рис.

Полный угол расходимости луча в этом случае:

Θ ≈ (d2 – d1)/(R2 – R1)

Приведенное выше выражения для вычисления расходимости луча действительно для «дальнего

поля» или «дальней зоны» на расстояниях от источника, определяемых выражением:

«Дальнее поле» >> (π×d2)/λ

где d - диаметр выходной апертуры, а λ - длина волны лазера.

Существует еще одна область называемая «ближним полем» или «ближней зоной», определяемая уравнением:

«Ближнее поле» ≤ d2/λ

Расходимости в дальнем и ближнем поле могут отличаться.

Расходимость излучения лазеров (2)

Расходимость луча является производной от радиуса луча по отношению к осевой позиции в дальнем поле, т. е. на расстоянии от перетяжки которая намного больше, чем длина Рэлея. Это определение дает расхождения в половину угла (в радианах), и далее зависит от определения радиуса пучка. Для гауссового пучка, радиус обычно определяется через точку с максимальной интенсивностью в 1/е2 раз. Иногда используется полный угол, в результате чего значение получается в два раза больше. Вместо оценки интенсивности по уровню в 1/е2 раза, как для радиуса гауссового пучка, можно использовать ширину пучка на половине максимальной интенсивности. Это часто встречается, например, в спецификациях лазерных и свето-диодов