ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-5

Характеристики диодных лазеров (2)

На рис. показано влияние изменения температуры на ВАХ и мощность излучения для обычных полупроводниковых лазеров.

Характеристики диодных лазеров (5)

Ширина линии

Ширина линии является еще одной важной характеристикой диодного лазера. В обычных полупроводниковых лазерах ширина спектральной линии усиления составляет 2-3 нм, т.е. около 1000 ГГц на длине волны 800 нм. В таком лазере может поддерживаться большое количество продольных мод. В полосковом лазере с пассивной волноводной структурой (описанным в разделе 5.6), созданы условия для доминирования одной спектральная линии, в результате чего ширина линии усиления значительно уже, как правило, порядка 10-2 нм. Это соответствует частоте в несколько ГГц на длине

волны 800 нм. В случае РОС (DFB) лазеров, ширина линии еще меньшеэто несколько МГц на 800 нм. Спектральная кривая полупроводниковых лазеров также сильно зависит от изменений температуры.

С ростом температуры вся кривая и отдельные линии сдвигаются в длинноволновую с повышением температуры. Рис. показывает эффект изменения температуры на спектр усиления.

Влияние температуры обусловлено увеличением длины резонатора сопровождающееся увеличением показателя преломления.

Характеристики диодных лазеров (6)

Поляризации луча

Поляризации пучка является еще одним важным параметром. Диодные лазеры при токе инжекции выше порогового излучают как правило линейно поляризованный свет, поляризация которого определяется геометрией активной зоны и свойствами кристалла.

Диодные лазеры с волноводной структурой зоны усиления

Лазеры на двойном гетеропереходе, а также лазеры на квантовых ямах имеют т.н. полосковую геометрию (рис.), когда поперечный размер активной среды ограничен, и как правило не превышает S < 10 мкм. По сравнению с диодными лазерами, в которых активная зона занимает всю площадь контакта, лазер с полосковой геометрией имеет значительно меньшую площадь перехода A = L × S, через которую протекает ток.

Рис. Диодные лазеры с полосковой геометрией активной среды

Таким образом, для заданной плотности тока, требуемый полный ток I оказывается меньше. Устройство на рис. (а) называется лазером на активной волноводной структуре, сформированной путем распределения усиления. Его недостатком является большое поглощение в невозбужденных областях активного слоя и ограничение пучка в этих областях неизбежно приводит к дополнительным потерям. Решением этой проблемы может быть переход к более сложной, но и более перспективной пассивной волноводной структуре с распределенным показателем преломления на рис.(б).

Характеристики излучения п/п лазеров (7)

В лазерах на двойном гетеропереходе с полосковой

структурой удалось добиться снижения порогового тока Ith до значений 15 мА и ниже благодаря использованию лазеров с

активной и пассивной волноводными структурами. Рекордно

малые значения Ith ≈1 мА реализованы с помощью одиночных квантовых ям. Из рис. видно, что величина Ith

резко возрастает с ростом температуры. Известно, что

Ith ~ ехр(Т/Т0), где Т0– характерная температура, зависящая от параметров п/п лазера и являющаяся мерой его качества.

Тогда отношение пороговых тока Ith для двух различных температур, отличающихся на величину Т выглядит как (Ith1 / Ith2 ) = ехр( Т/Т0), т.е. чем большеТ0, тем меньше

Ith чувствительна к температуре. Характерная температура в обычных лазерах значительно выше 50 К < Т0 < 70K. В то же

время для лазеров с полосковой геометрией на двойном гетеропереходе Т0 обычно составляет 100 – 200 K, а для лазеров на квантовых ямах Т0 > 270 K.

Выходная мощность таких лазеров обычно не превышает 10…15 мВт. Более высокие мощности могут привести к разрушению поверхности и покрытий. Дифференциальный КПД п/п лазеров определяется как: ηS

= (dP / V) dI, где V – напряжение. Уже достигнутые значения превышают 60%, т.е. п/п лазеры сейчас являются самыми эффективными из всех типов лазеров.

Характеристики диодных лазеров (7)

Работа с полупроводниковыми лазерами

Диодные лазеры обладают высокой надежностью и длительным сроком службы, превышающим 100 000 часов при обеспечении определенных мер предосторожности при обращении с ними и подключения для питания и управления к специализированным драйверам. Диодные лазеры особенно чувствительны к электростатическим разрядам, электрическим помехам, таким как даже краткие пики напряжения питания и тока инжекции, превышающие установленные ограничения и способные привести к электрическому пробою. Повреждение лазерного диода часто проявляется в виде снижения мощности, сдвиге в значении порогового тока и потере чувствительности к управлению. Электростатический разряд вызванный человеческим прикосновением является наиболее распространенной причиной преждевременного выхода из строя диодного лазера. В целях защиты диодных лазеров из вышеуказанных воздействий, схема драйвера должен быть тщательно разработана и обладать всеми функциями, рекомендованными производителем лазера.

Драйвер представляет из себя источник постоянного тока со встроенными функциями, такими как плавный пуск, защита от переходных процессов, контроля блокировки для безопасного подключения кабеля к лазеру и регулируемым ограничением для инжекционного тока. Если лазер должен работать в импульсном режиме, ток инжекции также будет импульсным с величиной превышающий порог генерации. Ведущие производители диодных лазеров предлагают широкий выбор подходящих источников тока для низко-, средне- и мощных лазерных диодов. Они также предлагают регуляторы температуры для стабилизации выходной длины волны.

Области применения полупроводниковых лазеров

Диодные лазеры находят широкое применение в коммерческих, промышленных, медицинских, военных и научных применениях. В зависимости от области применения, одна или более из основных характеристик лазерного луча становится определяющей, например, для направленной энергию нужна малая расходимость, а значит когерентность и монохроматичность.