11. Условие возникновения генерации в гетеролазерах.

В лазерах возникновение незатухающих колебаний, т.е. генерация излуче­ния, обусловлено многократным пропусканием в прямом и обратном направле­нии через активную область излучения, возникающее в ней. Условием для на­чала генерации является достижение уровня, когда усиление в активной среде за счет вынужденного излучения превышает все оптические потери. Много­кратные отражения обеспечиваются использованием открытых резонаторов, состоящих из двух расположенных друг против друга на определенном рас­стоянии отражающих поверхностей с коэффициентом отражения R₁ и R₂. Когда в открытом резонаторе помещена активная среда, резонатор называют активным. В таких резонаторах селективно усиливаются лишь волны, направ­ление которых совпадает с нормалью к зеркалам, называемое оптической осью резонатора.

В полупроводниковом лазере роль отражающих поверхностей выполняют две противоположные поверхности кристалла, полученные сколом.

Пусть в какой-то заданной точке активной области гетеролазера спонтанно возникает излучение с интенсивностью I₀, направленное вдоль оптической оси. После первого полного прохода по активной области, с двумя отражениями на зеркалах и возврата в эту же точку, интенсивность излучения становится рав­ной (см. также формулу (41)):

где g - коэффициент усиления;

а - коэффициент оптических потерь в активной области, связанной с

рассеянием на неоднородностях, поглощением на свободных носителях и т.п.;

L₀ - длина резонатора.

Для возникновения незатухающих колебаний необходимо чтобы после каждого полного прохода интенсивность излучения в каждой точке превышала первоначальное значение:

Или

В (42) при выполнении равенства возникает лазерная генерация, и это условие называется пороговым условием.

В полупроводниковом лазере коэффициент усиления зависит как от параметров полупроводника, так и от плотности инжектированных носителей, тем­пературы и длины волны излучения.

Для представления порогового условия (42) к легко измеряемым внешним параметрам гетеролазера воспользуемся представлением коэффициента усиления на заданной частоте излучения через плотность тока накачки, полученной в работе [8]:

где - определяется как порог инверсии, т.е. значение плотности тока через гетеропереход, при котором возникает инверсная населенность в активной области (условие БКП);

- определяется через плотность тока лазера по формуле:

где - внутренняя квантовая эффективность (22);

d - толщина активной области.

В общем случае, зависимость от не является линейной и имеет вид:

Это означает, что усиление может расти с ростом тока квадратично или еще быстрее. Однако, в большинстве случаев линейное приближение вполне приемлемо. В этом случае, используя (42), (43) и (44), имеем следующее выражение для порогового условия:

- называется плотностью порогового тока после достижения, котором в активной области гетеролазера начитается генерация лазерного излучении После достижения порога генерации усиление в активной области компенсирует все оптические потери в резонаторе, в том числе излучение через зеркала.

Дальнейший рост тока накачки приводит к увеличению выходной мощности по линейному от тока накачки закону:

где внешняя квантовая эффективность;

S – площадь поперечного сечения активной области.

Спектральный состав излучения гетеролазера определяется типами колебаний резонатора, для которых условие (42) выполняется раньше других.

На рис. 4 представлена типичная зависимость мощности излучения от тока накачки. Значение тока I=I_пор соответствует началу генерации. Спектральный состав излучения полупроводникового гетеролазера приведен на рис. 5. Показаны эквидистантно расположенные продольные моды лазерного резонатора.

Рис. 4. Зависимость мощности излучения от тока накачки

Рис. 5. Спектральный состав излучения полупроводникового гетеролазера

Цель работы:

-экспериментальное измерение зависимости коэффициента поляризации лазерного диода от тока накачки I_н;

-изучить зависимость степени когерентности излучения ЛД от тока накачки по анализу распределения интенсивности в поперечном сечении волоконных световодов, возбуждаемых ЛД;

-экспериментальное измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода;

-экспериментальное определение тока накачки, соответствующего началу генерации оптического излучения и порогового тока лазерного диода;