Курс лекций Фотоника из

81

линии составляет 0,4 см-1, а поперечное сечение поглощения равно 2,5*10-20 см-2 Обычно при практических расчетах рубинового лазера применяется приближенная трехуровневая модель состояний.

Рубиновые лазера, в настоящее время применяются менее широко как когда-то, поскольку они были вытеснены лазерами на основе Nd:YAG или лазеры на стекле с неодимом. Поскольку рубиновый лазер на самом деле работает по трехуровневой схеме, необходимая пороговая энергия накачки приблизительно на порядок превышает соответствующую величину для Nd:YAG лазера таких размеров. Однако рубиновые лазеры все еще широко применяются в некоторых научных и технических исследованиях, для которых более короткая длина волны генерации рубина дает существенное преимущество перед Nd:YAG.

Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней. В построенном Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около 5 см. Торцы стержня были отполированы и представляли собой строго параллельные друг другу зеркала.

Рис. 31.4. Устройство оптического генератора на рубине: 1 – конденсатор, 2 – газоразрядная лампа, 3 – отражающий кожух, 4 – рубиновый стержень, 5 – источник питания, служащий для зарядки конденсатора 1

82

Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой торец покрывался таким слоем серебра, который пропускал около 8% упавшей на него энергии. В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой, которая дает свет с широкой полосой частот.

Рубиновые кристаллы имеют большую механическую прочность и высокую теплопроводность, что облегчает охлаждение кристалла.

Таблица 31.1. Физико-технические параметры рубиновых лазеров

Работа лазера в режиме модулированной добротности.

Метод модуляции добротности позволяет получать лазерную генерацию в виде коротких импульсов (длительностью от нескольких наносекунд до нескольких десятков наносекунд) с высокой пиковой мощностью (от нескольких мегаватт до нескольких десятков мегаватт). Принцип работы лазера в режиме модуляции добротности состоит в следующем. Предположим, что в резонатор лазера помещен затвор. Если затвор закрыт, то генерация не может возникнуть и, следовательно, инверсия населенностей может стать очень большой. Если теперь быстро открыть затвор, то усиление в лазере будет существенно превышать потери и накопленная энергия выделится в виде короткого и интенсивного импульса света. Поскольку при этом происходит изменение добротности резонатора от низких до высоких

83

значений, такой метод называют модуляцией добротности. При условии, что затвор открывается за время, которое является коротким по сравнению со временем линейного развития лазерного импульса (быстрая модуляция добротности), выходное излучение состоит из одиночного гигантского импульса. В случае же медленного открывания затвора в генерации может возникнуть несколько импульсов. В самом деле, энергия, накопленная в активной среде до момента полного открывания затвора, высвечивается в виде последовательных порций, каждая из которых соответствует излучению импульса. Каждый импульс приводит к тому, что усиление становится ниже мгновенного порогового значения и подавляет тем самым генерацию до тех пор, пока продолжающееся открывание затвора не приведет к уменьшению потерь в резонаторе лазера и, следовательно, не понизит порог генерации.

Для модуляции добротности наиболее широко используются следующие устройства: электрооптические затворы, механические затворы, затворы на основе насыщающихся поглотителей, акустооптические модуляторы добротности.

Электрооптические затворы. Эти затворы основаны на электрооптическом эффекте, таком, как эффект Поккельса. Электрооптическая ячейка, основанная на эффекте Поккельса (ячейка Поккельса), представляет собой устройство, в котором при приложении к нему постоянного электрического напряжения возникает двойное лучепреломление. Величина наведенного двойного лучепреломления пропорциональна приложенному напряжению. На рис. 31.5 показана схема лазера, в котором модуляция добротности осуществляется затвором, состоящим из поляризатора и ячейки Поккельса.

84

Рисунок 31.5. Взаимное расположение поляризатора и ячейки Поккельса в резонаторе, используемых для модуляции добротности.

В правой части рисунка (за штриховой линией) показано взаимное расположение вектора поляризации выходного излучения, оси поляризатора и осей, между которыми возникает двулучепреломление в ячейке Поккельса (X, Y).

К ячейке Поккельса прикладывается смещающее напряжение таким образом, что оси Х и Y наведенного двойного лучепреломления лежат в плоскости, перпендикулярной оси резонатора лазера. Ось поляризатора составляет угол 45° с осями двойного лучепреломления. Рассмотрим теперь световую волну, которая после активной среды попадает в систему поляризатор - ячейка Поккельса. При соответствующем значении приложенного к ячейке Поккельса напряжения (порядка 1-5 кВ) двойное лучепреломление может привести к тому, что прошедший через поляризатор линейнополяризованный свет после того, как он пройдет затем через ячейку Поккельса, станет циркулярно-поляризованным. После отражения от зеркала этот циркулярно-поляризованный свет еще раз проходит через ячейку Поккельса и снова преобразуется, но уже в линейно-поляризованный свет, поляризация которого теперь перпендикулярна его исходной поляризации. Следовательно, это излучение уже не пропускается поляризатором. Таким образом, такое состояние соответствует закрытому затвору. Затвор открывается при снятии напряжения с ячейки, поскольку при этом двойное лучепреломление исчезает и падающий свет проходит без изменения поляризации.

85

Механические затворы. Слово "механический"

означает, что модуляция добротности осуществляется механически, т. е. вращением одного из зеркал лазера вокруг оси, перпендикулярной оси резонатора (рис. 31.6). Чтобы избежать генерации нескольких импульсов, скорость вращения зеркала должна быть очень большой. Для резонатора длиной L == 50 см требуются скорости вращения порядка 30 000 об/мин.

Рис. 31. 6. Схема модуляции добротности вращающимся зеркалом.

Затворы на основе насыщающихся поглотителей.

Такие затворы дают наиболее простой метод модуляции добротности. В этом случае затвор представляет собой кювету, наполненную некоторым насыщающимся поглотителем, который поглощает свет, длина волны которого совпадает с длиной волны лазерного излучения. Обычно в качестве такого поглотителя используется раствор органического красителя (например, в случае Nd: YAG-лазера применяют краситель, известный под названием BDN). Поглотитель можно представить себе как двухуровневую систему с очень большим пиковым сечением перехода (в случае насыщающихся поглощающих красителей эта величина обычно составляет 10~16 см2). При этом из Is=h·w/σ·τ следует, что соответствующая интенсивность насыщения Is сравнительно мала и при сравнительно низкой интенсивности падающего света поглотитель становится почти прозрачным (благодаря насыщению). Предположим теперь, что мы поместили кювету с красителем в резонатор лазера и длина волны, при которой поглощение раствора красителя максимально, совпадает с длиной волны генерации лазера. Для определенности допустим

86

также, что начальное (т. е. ненасыщенное) поглощение в кювете с красителем составляет 50%. В рассматриваемом лазере генерация может начаться только при условии, что усиление активной среды скомпенсирует потери в кювете, а также потери, обусловленные поглощением в резонаторе при отсутствии насыщения. Вследствие большого поглощения в кювете с красителем критическая инверсия населенностей оказывается очень высокой. С момента генерации интенсивность лазерного излучения начнет нарастать от уровня спонтанных шумов (рис 31.7). Когда интенсивность становится сравнимой с Is (при t=ts, как показано на рис 31.7), краситель начнет просветляться благодаря насыщению поглощения. Вследствие этого возрастает скорость нарастания интенсивности лазерного излучения, что в свою очередь приводит к увеличению скорости просветления красителя, и т. д. Поскольку величина Is относительно мала, в активной среде инверсия населенностей после просветления по существу остается той же самой, что и до просветления красителя (т. е. очень высокой). Следовательно, усиление лазера после просветления красителя значительно превышает потери, и как следствие этого на выходе лазера появится гигантский импульс (рис.31.7).

Рисунок 31.7. Типичная временная зависимость интенсивности I лазерного пучка в резонаторе длиной 60 см с пассивной модуляцией добротности, осуществляемой насыщающимся поглотителем.

Величина In - это интенсивность шума в данной моде, обусловленного спонтанным излучением. Приведена также длительность импульса (~30 нс), измеренная на полувысоте.

87

Акустооптическая модуляция добротности.

Акустооптический модулятор представляет собой оптически прозрачное вещество (например, кварцевое стекло для видимого диапазона и германий для ИК-диапазона), в котором с помощью пьезоэлектрического преобразователя возбуждается ультразвуковая волна. Наличие ультразвуковой волны приводит к тому, что это вещество работает как фазовая решетка. Действительно, вызываемые ультразвуковой волной деформации приводят к локальным изменениям показателя преломления вещества (фотоупругий эффект). Период такой решетки равен длине волны акустических колебаний, а ее амплитуда пропорциональна амплитуде ультразвука. Если акустооптическую ячейку поместить в резонатор лазера (рис 31.8), то при приложении напряжения к преобразователю в резонаторе возникнут дополнительные потери. Действительно, часть лазерного пучка будет дифрагировать на индуцированной фазовой решетке и выходить из резонатора. Если прикладываемое напряжение сделать достаточно высоким, то эти дополнительные потери могут привести к срыву генерации. Затем, снимая напряжение с преобразователя, мы можем снова восстановить в лазере высокую добротность резонатора.

Рисунок 31.8.. Схема устройства лазера, в котором модуляция добротности осуществляется акустооптическим модулятором

88

Рис.31.9. Развитие импульса в лазере с модуляцией добротности, работающем в импульсном режиме

На рисунке 31.9 показаны временные зависимости скорости накачки Wp, потерь резонатора у, инверсии населенностей N и числа фотонов q.

Наиболее эффективные методы модуляции добротности лазера.

1.Одно из двух зеркал резонатора вращается вокруг оси. Потери в резонаторе будут очень высокими на протяжении всего цикла, за исключением короткого интервала времени, соответствующего параллельному расположению зеркал. Этот момент времени соответствует включению добротности.

2.Внутри резонатора имеется специальный элемент - оптический модулятор, оптические свойства которого можно изменять с помощью внешних воздействий. Наиболее часто для этих целей используют электрооптические модуляторы, работающие на основе электрооптических эффектов в кристаллах.

89

3. Внутри резонатора имеется насыщающийся поглотитель, т. е. вещество, показатель поглощения которого уменьшается (насыщается) с ростом интенсивности излучения. Наиболее часто здесь применяют просветляющиеся красители. Эффект просветления определяется переходом поглощающих молекул красителя в возбужденное состояние и связанным с этим уменьшением показателя поглощения.

Первый и второй методы модуляции добротности являются активными, а третий - пассивным. В последнем случае потери в резонаторе регулируются автоматически.

90

Лекция 6 Гелий неоновый лазер.

Конструкции и принцип действия полупроводниковых лазеров.

Гелий неоновый лазер. Одним из самых распространенных в настоящее время является газовый лазер на смеси гелия и неона. Общее давление в смеси составляет порядка 102 Па при соотношении компонент He и Ne примерно 10 : 1. Активным газом, на котором в непрерывном режиме возникает генерация на длине волны 632,8 нм (ярко-красный свет), является неон. Гелий – буферный газ, он участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней неона. Излучение He–Ne лазера обладает исключительной, непревзойденной монохроматичностью. Расчеты показывают, что спектральная ширина линии генерации He–Ne лазера составляет примерно Δν ≈ 5·10–4 Гц. Это фантастически малая величина. Время когерентности такого излучения оказывается порядкаτ ≈ 1 / Δν ≈ 2·103 с, а длина когерентности cτ ≈ 6·1011 м, т. е. больше диаметра земной орбиты.

На практике многие технические причины мешают реализовать столь узкую спектральную линию He–Ne лазера. Путем тщательной стабилизации всех параметров лазерной установки удается достичь относительной ширны Δν / ν порядка 10– 14–10–15, что примерно на 3–4 порядка хуже теоретического предела. Но и реально достигнутая монохроматичность излучения He–Ne лазера делает этот прибор совершенно незаменимым при решении многих научных и технических задач. Первый гелийнеоновый лазер был создан в 1961 году. На рис. 32.1 представ-

лена четырех уровневая система накачки гелий неонового лазера и упрощенная схема уровней гелия и неона и механизм создания инверсной населенности лазерного перехода.

Накачка лазерного перехода E4 → E3 в неоне осуществляется следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в верхнее метастабильное состояния E2. Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и переда-

91

ют им свою энергию. Уровень E4 неона расположен на 0,05 эВ выше метастабильного уровня E2 гелия.

Рисунок 32.1. Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы

в атомах неона.

Недостаток энергии компенсируется за счет кинетической энергии соударяющихся атомов. На уровне E4 неона возникает инверсная населенность по отношению к уровню E3, который сильно обедняется за счет спонтанных переходов на нижерасположенные уровни. При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов. Если кювета со смесью газов помещена между высокоотражающими зеркалами, то возникает лазерная генерация. На рис. 32.2 изображена схема гелий-неонового лазера.

Современные высокостабильные гелий-неоновые лазеры производятся в моноблочном исполнении. Для этого используется стеклообразное вещество – ситалл, обладающий практически нулевым температурным коэффициентом расширения. В куске ситалла в форме прямоугольного параллелепипеда просверливается канал, к торцам которого на оптическом контакте приклеиваются лазерные зеркала. Канал заполняется смесью гелия и неона.

92

Рисунок 32.2. Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд,

2 – катод, 3 – анод, 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0,1 %; 5 – сферическое зеркало

с пропусканием 1–2 %.

Катод и анод вводятся через дополнительные боковые каналы. Такая моноблочная конструкция обеспечивает высокую механическую и тепловую стабильность.

Конструкции и принцип действия полупроводнико-

вых лазеров. Известно множество типов конструкций полупроводниковых лазеров. Они подразделяются на простейшие (гомолазеры) и двойной гетероструктуры (ДГС), в которых используются резонаторы Фабри – Перо и электронные полоски (полосковые) с селекцией продольных мод, с распределенной обратной связью (РОС), с распределенными брэгговскими отражателями (РБО), связанно – сколото - составные (С3), с внешней синхронизацией мод и так далее. В рамках ограниченного по объему учебного пособия не представляется возможным рассмотреть достаточно подробно все эти конструкции. Поэтому внимание будет уделено только четырем конструкциям, которые чаще всего применяются в оптических передатчиках систем связи. Это многомодовый лазерный диод полосковой геометрии с резонатором Фабри – Перо (обозначается Ф-П), лазер с распределенной обратной связью и распределенными брэгговскими отражателями (РОС, РБО) и лазер с вертикальным резонатором ЛВР.

Конструкция полоскового лазера Ф-П представлена на рис. 32.3. Название "двойная гетероструктура" обозначает, что эта конструкция имеет двойной слой различных по свойствам полупроводников, прилегающих к активному слою, которые отличают эту конструкцию от простейшего лазера. Полупроводни-

93

ковые слои оболочки имеют меньший показатель преломления, чем у активного слоя. Благодаря этому, в активном слое создается волновой канал с высокой плотностью носителей зарядов и фотонов. Активный слой имеет толщину около 0,1 ÷ 1 мкм. В нем с помощью источника электрического тока создается инверсная населенность. Внутренние поверхности торцов отшлифованы и превращены в зеркала.

Рисунок 32.3. Конструкция полоскового лазера Ф-П с двойной гетероструктурой.

При малых токах накачки в активной области возникает спонтанное излучение, как и в СИД. При этом активная область излучает спонтанные фотоны во все стороны, и большая их часть покидает прибор через полупрозрачные зеркала (R ~ 0,33). Лишь единицы из них отражаются обратно и проходят строго в плоскости активного слоя к противоположному зеркалу. Сталкиваясь с возбужденными атомами, они отдают им кванты энергии и вызывают вынужденную рекомбинацию электронов и дырок. Вновь возникают фотоны, которые будут согласованы между собой и вызвавшими их фотонами. При малых токах накачки количество вынужденных фотонов мало. При увеличении тока возрастает инверсная населенность и при N1 > N0 может произойти полное поглощение спонтанного излучения вынужденным. Ток, при котором это происходит, называется пороговым. После порогового тока резко нарастает мощность излу-

94

чения. Такой режим работы прибора называется лазерной генерацией (рисунок 32.4).

Рис. 32.4. Характеристика лазерной генерации мощности Условия лазерной генерации имеют фазовую составля-

ющую

N = 1, 2, 3... и амплитудную составляющую

1

Ku L L ln (32.2)

R

где К u – коэффициент усиления среды на длине резонатора L, a - коэффициент затухания среды, R – коэффициент отражения (~0,33). Таким образом, лазер представляет собой оптический квантовый генератор, в котором для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний должны выполняться условия баланса фаз и амплитуд. Спектральная характеристика лазера определяется размерами резонатора, спектром спонтанного излучения и выполнением условий генерации (рис. 32.5).

Для излучения лазером максимальной мощности необходимо добиться совпадения максимальной мощности спектра спонтанного излучения и собственных мод резонатора. Реальная спектральная характеристика лазера Ф-П представлена на рис. 32.6. Спектральная характеристика представляет совокупность

95

мод генерации. Ширина спектра оценивается на уровне –3 дБм от максимальной мощности (Рмакс/2).

Рис. 32.5. Спектральная характеристика лазера Излучение лазера, выходящее через торец, характеризу-

ется диаграммой направленности. Угловая расходимость когерентного излучения обусловлена фундаментальными пределами

где А – апертура излучателя, λ - длина волны центральной моды. Для полупроводникового лазера величина угла расходимости оценивается постой формулой:

где dx и dy – размер излучающей площадки по горизонтали и вертикали. Реальный угол расходимости составляет:

φ x ~ 5 ÷ 10 град, φ y ~ 15 ÷ 30 град.

96

Рис. 32.6. Спектральная характеристика лазера Ф–П Необходимо отметить, что характеристики излучения

лазера не остаются постоянными. Например, величина порогового тока сильно зависит от температуры тела лазера

Ini In1 exp( ti / t1 ) (32.5)

где t i > t1. На рисунке 32.7 приведены графики зависимости порогового тока лазера от температуры.

Рис. 32.7. Зависимость порогового тока от температуры лазера.

Для снижения зависимости порогового тока лазера от температуры в конструкциях применяют микрохолодильники на основе эффекта Пельтье, т.е. отбора излишков тепловой энергии материалами сплавного типа при прохождении через них электрического тока определенной величины. При изменении величины тока накачки в лазере происходит изменение спектрального состава, что при модуляции тока накачки информационным

97

сигналом приводит к динамическому уширению спектра и перескоку максимальной мощности излучения с одних мод на другие. Широкий спектр лазерных мод затрудняет процесс передачи информационных сигналов по волоконно-оптическим линиям связи из-за дисперсии импульсов оптической мощности. Для преодоления этой проблемы разработаны различные конструкции одномодовых лазеров. Чаще других применяют лазеры типа РОС, распределенная обратная связь (в англоязычной литературе DFB, Distributed Feed Back) и лазеры с брэгговскими отражателями РБО (в англоязычной литературе DBR, Distributed Brag Reflector); лазеры с вертикальными резонаторами ЛВР (в англо-

язычной литературе VCSEL, Vertical-Cavity Surface Emitting Laser).

В отличие от лазеров Ф-П в лазерах РОС и РБО положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создается не за счет зеркал, локально расположенных на торцах резонатора, а образуется внутри самого лазера. В лазерах РОС такая связь создается благодаря распределенной структуре под названием "гофр". Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем (рис.

32.8).

Обратная связь в лазере РОС осуществляется за счёт брэгговского рассеяния волн на гофре, который представляет собой фазовую дифракционную решетку с очень высокой разрешающей способностью, являющейся «распределённым резонатором». Качественная картина этого процесса состоит в следующем. Волна, распространяющаяся в активном слое справа влево, испытывает частичные отражения от гофра, в результате чего образуются дифрагированные волны, распространяющиеся в противоположном направлении, т.е. слева направо.

98

Рис. 32.8. Конструкция лазера РОС При этом волна, распространяющаяся вправо, ослабевает

в направлении к левому краю, т.к. её энергия перекачивается в волну противоположного направления, интенсивность которой возрастает при сложении отраженных волн в фазе. Т.о. электромагнитное поле в резонаторе РОС можно представить в виде двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Внутри резонатора могут сохраниться только волны, отражающиеся от гофра под углом Q+ π/2. Это обусловлено селективностью обратной связи, для которой длину волны настройки на отражение в резонаторе вычисляют через условие Брэгга – Вульфа

nэ (1 sinQ) i 0 (32.6),

где Λ - период гофра, nЭ – эффективный фазовый показатель преломления, i – целое число, λ0 – длина волны излучения в свободном пространстве. Для Q = π/2 шаг гофра может быть определен:

при этом, как правило, значение i = 1. Для повышения мощности излучения в одномодовый лазер РОС может быть встроено с одного из торцов зеркало. Длина волны, обозначенная в λ0, называется длиной волны Брэгга. Ей соответствует частота генерации

99

где L – длина активного слоя с гофром, с – скорость света в свободном пространстве. Важнейшей характеристикой одномодового лазера РОС является спектр излучения (рис. 32.9)

Рис. 32.9. Спектр излучения лазера РОС Обычно ширина спектра излучения лазера РОС оценива-

ется на уровне –20 дБм от максимального значения мощности. Кроме того, в спектре могут наблюдаться боковые моды, величина подавления которых должна быть не менее 30 дБ.

Одномодовые лазеры РОС являются одними из основных источников излучения для протяженных волоконно-оптических линий. Лазеры РБО имеют другую конструкцию (рис. 32.10), в которой активная область излучения находится вне зоны фильтрации моды. Это построение обеспечивает формирование спектральной линии уже, чем у лазера РОС на порядок.

100

Характеристики некоторых видов одномодовых и многомодовых полупроводниковых лазеров приведены в таблице

32.1.

Таблица 32.1 Характеристики полупроводниковых лазеров

Для получения высокой стабильности излучения лазеров разработаны также лазеры с вертикальными резонаторами ЛВР

(рисунок 32.11), обозначаемые VCSEL (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser). В этих лазерах генерация оптического излучения происходит поперек p-n перехода. Преимущество короткого высококачественного резонатора ЛВР заключается в генерации моды узкого спектра высокой стабильности. Такие лазеры могут формироваться группами на одной подложке микросхемы. При этом стабилизация параметров производится сразу для всего лазерного массива. Слои отражателя выполнены из набора четвертьволновых пластин, фильтрующих моду излучения. Они формируют структуру распределенного брэгговского отражателя DBR. Слои изолятора уменьшают спонтанную эмиссию фотонов.