Вигдорович Е.Н. Физические основы, конструкция и технология оптоэлектронных устройств - МГУПИ 2011 - файл n1.doc

Вигдорович Е.Н. Физические основы, конструкция и технология оптоэлектронных устройств - МГУПИ 2011
скачать (10094 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc10094kb.21.10.2012 15:38скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6

2.2. Конструкция, параметры и режимы работы лазеров.


Конструкция лазеров.

На рис.2.3 изображена структурная схема, которая содержит следующие основные элементы:



Рис.2.3. Структурная схема лазера
1) излучатель лазера—основная функциональная часть лазера, предназначенная для преобразования энергии накачки в лазерное излу­чение и содержащая один или несколько лазерных активных элементов;

2) внешний источник энергии, который обеспечивает создание энер­гии накачки, превышающей порог генерирования лазера.

Излучатель лазера в свою очередь можно считать состоящим из ряда конструктивных элементов, среди которых можно выделить:

1)лазерный активный элемент (лазерный усилитель), содержащий лазерное вещество, в котором в процессе накачки создается активная среда;

2)систему накачки — совокупность элементов, предназначенных для преобразования энергии и передачи ее от внешнего источника энергии к лазерному активному элементу;

3) оптический резонатор—элемент положительной обратной связи.

В полупроводниковых лазерах излучатель составляет конструктив­ное целое; в газовых и твердотельных лазерах можно обычно выделить каждый из элементов излучателя.

Структурная схема лазера может дополняться рядом элементов, обеспечивающих работоспособность лазера или служащих для управ­ления лазерным излучением. К таким дополнительным элементам мож­но отнести (рис.3) систему охлаждения активного элемента и систе­мы накачки, модулятор, внешнюю оптическую систему, устройство кон­троля параметров излучения и др.

В каждом конкретном случае применения лазеров наличие тех или иных дополнительных устройств (или всех сразу) не является обяза­тельным. Как будет видно при рассмотрении типов лазеров, температу­ра активного вещества играет важную роль в достижении эффективности лазера. В некоторых активных веществах достаточную эффективность можно по­лучить лишь при их значительном охлаждении. Система охлаждения предназначается для создания необходимой температуры активного ве­щества и системы накачки.

Модуляция излучения необходима, например, при использовании лазеров в системах обработки информации и позволяет управлять ла­зерным излучением. Она может быть осуществлена путем воздействия на систему накачки или активный элемент, а также преобразованием выходного лазерного излучения.

Внешняя оптическая система служит для формирования лазерного излучения, например, для изменения угла расходимости. Устройства контроля параметров представляют собой различные устройства изме­рения параметров излучения (мощности излучения, частоты и т. п.) и поддержания их на заданном уровне.

По типу материала активного элемента лазеры делятся на четыре основных класса:

  1. Полупроводниковые - лазеры с полупроводниковым активным элементом;

2) газовые - лазеры с газовым активным элементом;

3) твердотельные - лазеры с твердотельным активным элементом;

4) жидкостные -лазеры с жидкостным активным элементом.

Основные параметры лазеров.

Лазерное излуче­ние характеризуется пространственно-временными и энер­гетическими параметрами.

В группе пространственно-временных выделяют следую­щие параметры:

1) частота лазерного излучения - средняя частота (или средняя длина волны) спектра лазерного излучения;

2) ширина линии лазерного излучения - расстояние между точками контура спектральной линии лазерного из­лучения, соответствующими половине интенсивности линии в максимуме;

3) расходимость лазерного излучения - плоский или телесный угол, характеризующий угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения;

4) время готовности лазера - время, необходимое для достижения лазером эксплуатационных (номиналь­ных) параметров с момента его включения.

К энергетическим параметрам лазера относятся прежде всего энергия Е и мощность Р лазерного излучения. Энер­гия определяет энергетические возможности лазера. Мощ­ность характеризует интенсивность излучения энергии ла­зером, концентрацию энергии во времени. В применении к лазеру эту, казалось бы, банальную разницу необхо­димо подчеркнуть.

Расхожей является фраза: «Мощность лазера равна мощности Днепрогэса», но при этом нельзя забывать, что эта мощность дей­ствует всего1 нс.

Концентрация энергии (мощности) в пространстве определяется плотностью энергии (мощности) лазерного излучения, т. е. энергией (мощностью) лазерного излучения, приходящейся на единицу площади сечения пучка лазерного излучения.

Эффективность лазера как преобразователя энергии накачки в энер­гию излучения характеризуется КПД, который равен отношению энергии или средней мощности, излучаемой лазером, соответственно к энергии или средней мощности, подводимой к лазеру.

К энергетиче­ским параметрам относится также порог генерирования лазера .

Режимы работы лазеров.

Можно выделить три основных режима работы лазеров:

1) режим непрерывного генерирования лазерного излу­чения (непрерывный режим); лазеры, работающие в не­прерывном режиме, называются непрерывными;

2) режим импульсного генерирования лазерного излу­чения (импульсный режим) и, соответственно, импульсные лазеры;

3) режим импульсно-периодического лазерного излу­чения — импульсно-периодические лазеры.

В непрерывном режиме работы лазера мощность лазер­ного излучения на частоте генерирования не обращается в нуль при заданном интервале времени, значительно пре­вышающем период колебаний, т. е. такие лазеры дают не­прерывное излучение в течение длительного времени.

Импульсный режим характеризуется излучением энер­гии в виде импульсов. В таком импульсном лазере излучение длится очень недолго, ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказы­вается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, и мощность импульса получается огромной. Современные мощные импульсные лазеры (в основном твердотельные) дают импульсы длительностью до 0,01 нс (при энергии импульса 1 Дж их мощность достигает 100 млн. кВт).

В импульсно-периодическом режиме излучение форми­руется в виде периодических серий и импульсов - импульс­ных пакетов.

2.3. Полупроводниковые лазеры.


Полупроводниковые лазеры обеспечивают наилучшую совместимость с микроэлектронными устройствами. Первые полупроводниковые лазеры были созданы в 1962 г. В на­стоящее время применяются в основном два типа полупро­водниковых лазеров. Наиболее распространены инжекционные лазеры, лазерная активная среда в которых возника­ет в результате инжекции свободных носителей заряда р-п перехода. Перспективны также полупроводниковые лазеры с электронной накачкой, в которых генерация ко­герентного излучения происходит в процессе воздействия на полупроводник потока электронов высокой энергии. В инжекционных лазерах используются люминесцирующие полупроводники с прямыми переходами, обмен носителями в которых между минимумом зоны проводимости и валент­ной зоной характеризуется высокой вероятностью. Иными словами, излучательная рекомбинация свободных дырок и электронов (переходы зона—зона) протекает в таких ве­ществах интенсивно.

Лазерное усиление в полупроводниках.

Свойства полупроводниковых лазеров тесно связаны со структурой полупроводников, из которых изготовлены излучатели лазе­ров. Атомы полупроводников характеризуются стационар­ными состояниями, соответствующими определенным значе­ниям энергии. Каждому такому состоянию соответствует определенная конфигурация электронных оболочек атомов. В полупроводнике внешние (валентные) электронные оболочки соприкасаются или даже перекрываются. В ре­зультате валентные электроны как бы освобождаются от оболочки: электроны, находящиеся на определенном энер­гетическом уровне одного атома, могут переходить без за­траты энергии на соответствующий уровень соседнего атома, свободно перемещаясь внутри полупроводника. Вместо индивидуальных атомных орбит образуются кол­лективные, и подоболочки отдельных атомов объединяют­ся в зоны. Таким образом, дискретные электронные уров­ни изолированных атомов полупроводника в результате взаимодействия расщепляются в относительно широкие зо­ны разрешенных значений энергии, разделенных запрещен­ными зонами. Каждая разрешенная зона образуется из большого числа уровней, равного количеству атомов в полупроводнике. При ширине зоны около 1эВ расстояние между соседними уровнями в разрешенной зоне ~ 10-22 эВ. Поэтому зоны можно рассматривать как сплош­ные полосы.

Излучение в полупроводниках характеризуется тем, что в процессе взаимодействия принимают участие не два энергетических уровня, а две зоны с конечным количеством уровней: зона проводимости и валентная зона. При этом испускание фотона произойдет только тогда, когда в зоне проводимости имеется электрон, а в валентной зоне одно­временно дырка.

Условием усиления излучения является превышение скорости излучения над скоростью поглощения; vизл>vпогл.

Тогда условие инверсии населенностей при прямых межзониых переходах, т. е. условие возможности лазерного усиления в полупроводнике будет имеет вид

EFn – EFp > Ec – Ev (2.11)

В инжекционных лазерах инверсия населенности дости­гается при высоких уровнях инжекции. При этом для вы­полнения условия (2.11) материал хотя бы одной из обла­стей (р или п) должен быть вырожденным.

В полупроводниковом лазере наряду с излучательной рекомбинацией имеют место и другие механизмы рекомби­нации, которые не дают излучения (безызлучательная рекомбинация). К таким механизмам относят рекомбина­цию на дефектах структуры и неконтролируемых примесях, ударную Оже-рекомбинацию и др. В случае безызлучательной рекомбинации свободного носителя происходит выде­ление фотона с очень малой энергией. Для генерации ко­герентного полезного излучения такой носитель потерян. Очевидно, что эффективность лазера тем выше, чем больше доля актов излучательной рекомбинации по сравнению с безызлучательной.

Независимо от механизма рекомбинации длина волны излучения определяется выражением

?= 1,23/Ез (2.12)

где Ез- ширина запрещенной зоны.

Тогда условие излучения прямозонного полупроводника имеет вид

h? ~ Eз (2.13)

Для этого инжектируемые (возбуждаемые) носители (электроны) должны получать от электрического поля до­статочную энергию, т. е. должно выполняться неравенство

Up-n>Eз/q (2.14)

где Up- п - прямое напряжение на р-п переход.

Таким образом условие (2.14) наряду с (2.11) показы­вает, что лазерный эффект достигается только в вырож­денных полупроводниках.
Инжекционные лазеры.

Роль оптического резона­тора в инжекционных лазерах играют зеркальные сколы граней кристалла, перпендикулярных плоскости р-п пере­хода. При протекании через р-п переход достаточно боль­шого прямого тока возникает когерентное излучение.

Первые инжекционные лазеры были созданы на арсениде галлия. Типичный лазер на GaAs изготавливается в фор­ме прямоугольного параллелепипеда с длинами сторон от долей миллиметра до миллиметра (рис.2.4).

Рис. 2.4. Инжекционный полу­проводниковый лазер
В конструк­ции такого лазера имеются:

1—полированные торцевые поверхности;

2—р-область; 3 - п-область;

4 - электриче­ские проводники;

5 - молибденовая пластина, покрытая слоем золота;

6 - область р-п перехода (заштрихована).

Две боковые грани (торцы) служат зеркалами опти­ческого резонатора лазера. Показатель преломления GaAs достаточно велик, и от полированных торцов, не имеющих дополнительного покрытия, отражается примерно 35% па­дающего излучения. Две дру­гие торцевые грани, перпенди­кулярные плоскости р-п пере­хода, немного скошены, как показано на рис.2.4. Это сде­лано для того, чтобы между этими гранями генерация излу­чения не возникала.

При низких температурах инжекционные лазеры на GaAs могут работать как в импульсном, так и в непрерыв­ном режиме, а при комнатной температуре только в им­пульсном режиме. Процесс возникновения генерации в ла­зере зависит от плотности тока инжекции J. При подаче на р-п переход прямого напряжения с ростом возрастает разность между электронным и дырочным квазиуровнями Ферми EFn - EFp. Образующиеся при рекомбинации носи­телей фотоны имеют различную энергию и произвольное направление распространения. Среди фотонов есть и та­кие, которые распространяются в плоскости р-п перехода. Сталкиваясь с возбужденными электронами и отражаясь от зеркал резонатора, они вызывают вынужденное излуче­ние ( рис.2.5). Количество таких фотонов увеличивает­ся с ростом прямого напряжения и соответственно плотно­сти тока через р-п переход. Когда J достигает некоторой пороговой плотности тока Jпор, выполняется условие инвер­сии населенностей. В результате количественные изменения процесса — рост вынужденного излучения — переходят в новое качество—режим генерации излучения. При этом происходит резкое сужение спектральной характери­стики излучения (рис.6) и улучшается диаграмма на­правленности излучения (рис.2.6). Излучение становится когерентным. В инжекционных лазерах /пор составляет 103- 104 А/см2 (T=300 К).


Рис. 2.5. Спектральная харак­теристика излучения лазера в режимах генерации и отсутст­вия ее



Рис. 2.6. Диаграмма направ­ленности излучения лазера в режиме генераци
Наряду с пороговой плотностью тока важными параме­трами лазера являются квантовый выход и КПД. Внешний квантовый выход равен отношению числа фотонов N изл, излучаемых в единицу времени во внешнюю среду, к числуэлектронно-дырочных пар, прошедших за это время через р-п переход (Np -n):

? = ?b ?o ( Nизл/Np-n ) (2.15)

где ?b - внутренний квантовый выход; ?o - оптический вы­ход.

В зависимости от концентрации примесей в однородном полупроводниковом материале р- и п-типов в арсениде галлия, например, наблюдаются четыре типа излучения (или, как говорят, четыре линии излучения).

Первый тип обусловлен переходом свободной дырки в зону проводимо­сти или на мелкий донорный уровень,

второй — переходом свободного электрона на акцепторный уровень,

третий — переходом с донорного уровня на акцепторный и, наконец,

четвертый — переходом с донорного уровня в валентную зону.

Третий тип излучения (вызываемый переходом с до­норного уровня на акцепторный) -это основной тип излу­чения в материале р-типа.

В инжекционных лазерах на GaAs источником излуче­ния обычно является р-область. В этом случае линии излу­чения аналогична основной линии излучения в однородном материале р-типа (третья линия).

Работа лазера сильно зависит от температуры, измене­ние которой приводит к сдвигу спектра излучения полу­проводникового лазера. С одной стороны, это происходит в результате изменения показателя преломления материа­ла лазера и, следовательно, собственной частоты резона­тора. С другой—спектр излучения сдвигается в резуль­тате сдвига вершины линии люминесценции.

От температуры также существенно зависит такой важ­нейший параметр лазера, как плотность порогового тока. На рис.2.7 показана температурная зависимость плотности порогового то­ка J пор для ннжекционных лазеров различных типов. Для лазеров на основе диффузионных или эпитаксиальных р-п переходов J пор в области комнатных температур могут отли­чаться в несколько раз и составляют (2— 5). 104 А/см2 (кривые 1,2). Это не позволяет, в частности, получить для таких лазеров непрерывную гене­рацию при комнатной температуре. Снизить Jпор (кривые 3, 4) и сущест­венно улучшить эффективность ин-жекционных лазеров удалось при переходе к гетерогенной структуре р-п перехода.


Рис.2.7. Температур­ная зависимость плотности порогового тока
Лазеры с гетерогенной структурой.

Энергетические диаграм­мы гетероструктур характеризуются различными потенциаль­ными барьерами для встречных потоков дырок и электронов, что вы­зывает одностороннюю инжекцию носителей заряда из широкозонного эмиттера в узкозонную базу. При этом концентрация инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превышать свое рав­новесное значение в эмиттерной области. В гетероструктуре оптические свойства слоев эмиттера и базы отличаются, так как запрещенная зона эмиттера значительно шире запрещенной зоны базы, а показатель пре­ломления я зависит от ширины запрещенной зоны.

В гетеролазере нет необходимости легировать полупроводник до вырождения, так как условие инверсии населенностей энергетических уровней выполняется за счет разницы в ширине запрещенных зон. Высокая концентрация носителей в средней области структуры достигается за счет повышения уровня инжекции. Снижение уровня легирования способствует умень­шению потерь на безызлучательную рекомбинацию и повышению вну­тренней квантовой эффективности.

Односторонняя инжекция, характерная для гетеропереходов, ведет к тому, что все избыточные носители заряда сосредоточиваются в ак­тивной средней области, их проникновение в эмиттер ничтожно мало.

Положительную роль играет также волноводный эффект, который спо­собствует концентрироваиию волны излучения внутри оптически более плотного среднего слоя структуры.

В конечном итоге гетеролазеры по сравнению с гомогенными имеют в десятки раз меньшую пороговую плотность тока и больший КПД, что, в свою очередь, позволяет осу­ществить непрерывный режим генерации при комнатной температуре.

Наиболее перспективны инжекционные лазеры с многослойной гетероструктурой.

Исследование свойств гетероперехода GaAs/AlGaAs и усовершенствование технологии выращивания структур - жидкофазной эпитаксии - дало возможность уже в 1970 г. реализовать непрерывный режим лазерной генерации (рис.2.8) при комнатной температуре. Сообщение об этом вызвало взрыв интереса к физике и технологии полупроводниковых гетероструктур (в настоящий момент большинство исследователей, работающих в области физики полупроводников, занимаются именно полупроводниковыми гетероструктурами).

Рис.2.8.Схематическое изображение первого в мире полупроводникового лазера (полоскового), работавшего в непрерывном режиме при комнатной температуре.

На рис.2.8 изображен лазер с двойной гетероструктурой (ДГС-лазер) и полосковой геометрией электрода. Для лучших образцов ДГС-лазеров на основе GaAs— GaAlAs удалось при комнат­ной температуре получить Jпор<103 А/см2, что почти на два порядка меньше, чем для гомогенных лазеров.

В быстродействющих оптоволоконных системах передачи информации находят все более широкое применение полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры (ВИЛ) В настоящее время начат промышленный выпуск ВИЛ, излучающих в диапазонах длин волн вблизи 850 и 980 нм. Несмотря на успешное развитие технологии ВИЛ для этих спектральных диапазонов, более важной задачей является создание аналогичных приборов для длин волн 1.3 и 1.55 мкм.

Необходимость создания ВИЛ, работающих в этих диапазонах, связана со следующими причинами. В кварцевых стеклах, используемых для изготовления оптоволокна, минимум оптических потерь соответствует длине волны излучения 1.55 мкм. А длине волны 1.3 мкм соответствует минимальная дисперсия, что позволяет уменьшить уширение импульсов при их прохождении по оптоволокну и, за счет этого, повысить скорость передачи информации.

По сравнению с традиционными лазерами полосковой конструкции (рис.2.9,a), в которых вывод оптического излучения осуществляется через одно из зеркал, образованных торцевой поверхностью лазерной структуры, ВИЛ (рис.2.9,b,) обладают более симметричной диаграммой направленности выводимого оптического излучения. Это обеспечивает более эффективный ввод оптического излучения в волокно. К другим важным достоинствам ВИЛ относится повышенная температурная стабильность длины волны лазерного излучения, а также возможность применения групповой технологии изготовления и тестирования.


Рис.2.9. Схематическое изображение лазерных структур: a - традиционный полосковый лазер, b - вертикально-излучающий лазер. Стрелками показано направление выхода излучения из структуры.

. Зеркалами в таких приборах служат высококачественные распределенные брэгговские отражатели (DBR), сформированные на основе чередующихся слоев различных материалов (например, AlGaAs и GaAs) толщиной в 1/4 резонансной длины волны (с учетом показателя преломления материала). Структуры ВИЛ выращиваются методами молекулярно-пучковой эпитаксии или эпитаксии из паров металлорганических соединений.

В лабораториях разных стран, в том числе и в Физико-техническом институте им.Иоффе, уже созданы устройства с квантовыми ямами InGaAsN и квантовыми точками InGaAs на длину волны 1.3 мкм.(рис.2.10) Можно сказать, что на первый план сейчас выходит задача оптимизации параметров активной области и конструкции ВИЛ с целью получения приборных характеристик, удовлетворяющих основным требованиям для практического использования в волоконно- оптических системах связи .

Рис.2.10 Схематическое изображение поперечного сечения ВИЛ с активной областью на основе трех слоев квантовых точек InAs/InGaAs.
В качестве примера рассмотрим конструкцию бытового лазера-лазерную указку (рис.2.11 и 2.12). Источником питания (1) служат три соединенные последова-тельно миниатюрные батарейки с ЭДС 1,2 вольта каждая. Электронная схема (2) с кнопкой включения смонтирована в середине корпуса и подключена к лазерной головке (3). Лазерное излучение имеет длину волны от630 до 680 нанометров (нм) и мощность менее одного милливатта Линза (4) фокусирует его в тонкий луч

Рис. 2.11 Общий вид лазерной указки

Рис.2.12 Схема лазерной указки

Лазерное оружие, знакомое нам лишь по фильмам о будущем, может появиться на вооружении современной армии. Для этого в бюджетах ведущих стран до 2016 г. предусмотрены отдельные статьи расходов, связанные с разработкой подобного типа вооружения. Его называют направленным энергетическим, или лазерным.

Лазеры с электрон­ной накачкой.

Кроме инжекционных лазеров применяются также полупроводниковые лазеры с электронной накачкой. При этом на полупроводник воздействует поток электронов высокой энер­гии (десятки и сотни килоэлектрон-вольт). Электроны накачки, проникая в глубь кристалла, возбуждают электроны валентной зоны и часть их переходит на более высокие энергетические уровни зоны проводимости. Эти возбужденные электроны, в свою очередь, пе­редают энергию другим атомам решетки — возникает лавина, ослабе­вающая по мере удаления от поверхности в глубь полупроводника.

Конструктивно полупроводниковый лазер с электронной накачкой выполняется в виде электронно-лучевой трубки (рабочее напряжение десятки киловольт), в которую помещается полупроводник.


Рис. 2.13. Полупро­водниковый лазер с электронной накач­кой

1 - когерентное излуче­ние; 2 -отражающие поверхности; 3 -подложка; 4 -полупроводник; 5 - поток электронов.
Поток электронов с энергией 20 кэВ и более направляется на плоскую грань полупроводникового образца. В тон­ком поверхностном слое полупроводника электронный поток создает большое число электронно-дырочных пар (примерно 10 пар на один электрон). Образующиеся носители собираются у дна зоны проводимо­сти (электроны) и потолка валентной зоны (дырки) и рекомбинируют. Когерентное излучение выходит из полупроводниковой пластины в пло­скости, перпендикулярной направлению потока электронов. Грани образ­ца (отражающие поверхности) служат зеркалами открытого лазерного резонатора. Толщина активного слоя при электронной накачке зависит от энергии электронов и может достигать десятых долей миллиметра. Показанный на рис.2.13 способ накачки лазера, при котором электронный поток ориентирован перпендикуляр­но оси оптического резонатора лазера, назы­вается поперечной накачкой. Существует так­же продольная накачка: электронный поток ориентирован вдоль зеркал оптического резо­натора лазера. Электронная накачка позволя­ет изготовить лазерные системы с мощностью излучения в импульсе до 1 МВт.

Принципиальные недостатки лазеров с электронной накачкой ограничивают область применения этих приборов. К таким недостат­кам следует отнести наличие объема с высо­ким вакуумом, большие габариты, низкую эффективность (из-за двойного преобразова­ния энергии общий КПД не превышает 1%), сложность и громоздкость системы питания (ее объем и масса в де­сятки раз превышают объем и массу собственно лазера). Тем не менее для проекционного широкоформатного цветного телевидения (с пло­щадью экрана до 10 м2), для сверхскоростных систем вывода инфор­мации ЭВМ, быстродействующих голографических запоминающих устройств, генераторов импульсов излучения с длительностью10-12 с. лазер с электронной накачкой оказывается наиболее приемлемым источником излучения.


Таблица

Материалы для полупроводниковых лазеров


Полупроводник


Длина волны излучения, мкм


Максимальная рабочая температура, К


Способ накачки

ZnS
ZnO
Zn1-xCdxS
ZnSe
CdS
ZnTe
CdS1-xSex
CdSe
CdTe

0,32
0,37
0,32—0,49
0,46
0,49—0,53
0,53
0,49—0,68
0,68—0,69
0,79

77
77
77
77
300
77
77
77
77

Э
Э
Э
Э
Э, О, П
Э
Э, О
Э, О
Э

Ga InN

GaSe
GaAs1-xPx
AlxGa1-xAs
InxGa1-xP
GaAs
lnP
InxGa1-xAs
InP1-xAsx
InAs
InSb

0,42-0,53

0.59
0,62—0,9
0,62—0,9
0,60—0,91
0,83—0,90
0,90—0,91
0,85—3,1
0,90—3,1
3,1—3,2
5,1—5,3

300

77
300
300
77
450
77
300
77
77
100

О,И

Э, О
Э, О, И
О, И
О, И
Э, О, И, П
О, И, П
О, И
О, И
Э, О, И

PbS
PbS1-xSx
PbTe
PbSe
PbxSn1-xTe

3,9—4,3
3,9—8,5
6,4—6,5
8,4—8,5
6,4—31,8

100
77
100
100
100

Э, И
О, И
Э, О, И
Э, О, И
Э, О, И





2.4. Разновидности лазеров



Газовые лазеры.

Газовые лазеры находят применение в оптоэлектроннке прежде всего потому, что они обладают высокой степенью когерентности излучения — относительное изменение длины волны излу­чения ?? /?max у этих приборов лежит в диапазоне10-6—10-9, в то время как у других типов лазеров оно не менее 10-4. Малое значение ?? обусловлено слабым взаимодействием атомов и молекул в столь разреженном активном веществе, каким является газ. Коэффициент квантового усиления k в разреженных газах мал. Это приводит к тому, что для эффективного усиления излучения газовый лазер дол­жен иметь большие линейные размеры. С другой стороны, увеличение линейного размера позволяет получить малую расходимость излучения ?, при длине резонатора не менее десятков сантиметров в соответст­вии с выражением можно получить ? <0,01°. Для других типов лазеров ? >1°.

Таким образом, там, где необходимы высокие когерентность и на­правленность излучения, применение газовых лазеров становится пред­почтительным. Например, газовые лазеры в настоящее время незаме­нимы при передаче большого объема информации в системах лазерной оптической связи,

Рассмотрим принцип действия газового лазера на примере газо­разрядного лазера.

Газоразрядные лазеры рабо­тают на разреженных газовых средах (давление газа составляет примерно 100—1000 МПа). Ак­тивной средой газоразрядного ла­зера является образующаяся при возникновении электрического разряда газоразрядная плазма. Используются два типа разрядов; дуговой и тлеющий

Некоторые параметры дугового и тлеющего разрядов приведены в табл. 2.1

Таблица 2.1



Разряд


U, В


I, А/см'


Т разряда. К


Концентрация электронов,

см-3

Отн ионизация,

%

Дуговой

Тлеющий

10—100

103

102- 103

10 –3–10-1

103

3.102

1013

10 9-1011

1

10 –2



Из приведенного сравнения видно, что дуговой разряд—это силь­ноточный высокотемпературный разряд с высокой степенью ионизации плазмы; тлеющий разряд — слаботочный, низкотемпературный, с низкой степенью ионизации плазмы.
В качестве примера лазера дугового разряда рассмотрим аргоновый лазер.

Конструкция такого лазера представлена на рис. 2.14:

Рис. 2.14. Конструкция газового лазера дугового раз­ряда

1 — анод; 2 — катод; 3—активная среда; 4—водяное охлаждение; 5— обводной канал; 6—зеркала резонатора (полностью отражающее и выходное); 7—выходные окна газоразрядной трубки.
Обводной канал обеспечивает выравнивание давления по длине трубки: в отсутствие такого канала газ накапливается в анодной части трубки вскоре после включения дугового разряда. Такого типа лазеры относительно дороги и громоздки.

Наиболее распространенным типом газоразрядного лазера является гелий-неоновый. Он работает на тлеющем разряде. Разряд вызывает возбуждение атомов гелия, которые при соударении передают энергию атомам неона, имеющим точно такие же уровни возбуждения. Энерге­тический спектр атомов неона обеспечивает генерацию когерентного излучения с длиной волны 0,633 мкм.

Основным элементом такого лазера является стеклянная или кварцевая трубка, заполненная гелий-неоновой смесью. Трубка диаметром в несколько миллиметров и более и длиной от нескольких сантиметров до нескольких метров откачивается и наполняется смесью газов. Внутри трубки имеются электроды , к которым подводится электрическое напряжение, возбуждающее и поддерживающее разряд в газе.Торцы трубки закрываются плоскими стеклянными или кварцевыми пластинками . Коэффициент отражения от плоской пластинки зависит как от угла падения, так и от поляризации излучения. Если плоскость поляризации совпадает с плоскостью падения излучения на пластинку, то при некотором определенном угле (так называемом угле Брюстера) излучение пройдет через пластинку целиком, не отражаясь.

Большие габариты, наличие газонаполненного объема, высоковольт­ное питание, низкий КПД, сложность устройства возбуждения обуслов­ливают практическую непригодность газовых лазеров для микрооптоэлектроники.

В то же время там, где необходимы высокая когерент­ность и направленность излучения, а требования к массам и габаритам невысоки, использование газовых лазеров является не только полезным. но и часто неизбежным.

Твердотельные лазеры.

Твердотельные лазеры в качестве активной среды содержат кристаллический или аморфный диэлектрик, имеющий центры люминесценции. Для малогабаритных оптоэлектронных устройств, совместимых с микроэлектронными устройствами, основ­ным видом твердотельного лазера является лазер на иттриево-алюминиевом гранате (Y3Al5O12), в кристаллической решетке которого часть атомов иттрия замещена ионами неодима (Nd+++). Эти кристаллы обладают высокой прочностью и теплопроводностью, однородностью оптико-физических параметров. Для создания когерентного излучения используется-оптическая накачка.

Конструктивно твердотельный лазер содержит стержень активного вещества с отполираванными зеркальными торцами (оптический резо­натор) освещаемый лампой-вспышкой или лампой непрерывного горе­ния, и светособирающую систему, которая обеспечивает равномерную освещенность поверхности стержня и минимальный его нагрев (рис.2.15).

Благодаря высокой концентрации активных центров энергия коге­рентного излучения твердотельных лазеров оказывается в десятки раз больше, чем у других типов лазеров. Оптическая накачка дает более высокое значение КПД, чем газовый разряд. Высоки эксплуатационные характеристики твердотельных лазеров: температурная и радиационная стойкость, механическая прочность.

Рис.2.15 Конструкция твердотельного лазера с ИК накачкой

1—стержень актив­ного вещества; 2—ИК-диод; 3—оптическая среда; 4—теплоотвод; 5—фиксирующая оправка.


Недостатки твердотельных лазеров связаны прежде всего с необхо­димостью оптической накачки. Двойное преобразование энергии (элек­тричество – свет - лазерное излучение) не позволяет получить высокий КПД. Современные элементы системы оптической накачки имеют низ­кую долговечность, что снижает надежность лазера в целом. Принцип накачки твердотельного лазера не позволяет осуществлять внутреннюю модуляцию выходного лазерного излучения.

Переход в системе накачки от осветитель­ной лампы к ИК-диоду позволил существенно уменьшить габариты и повысить КПД. Обычно используются GaAlAs ИК-диоды, на 0,81 мкм, что совпадает с резонансной полосой поглощения лазера. Совпадение частот излучения ИК-диода и резонанса лазера при накачке и приводит к повышению КПД (лампы накаливания имеют размытый спектр излучения, и условие резонанса выполняется лишь для части этого спектра).

2.5. Сравнительная характеристика лазеров.

Таблица 2.2.

Сравнительные характеристики различных лазеров


Тип

Размер

КПД

Ф,мВт

?, мкм

? о,

Uпит

Газ

10

10-1..10-2

0,1…10

0,63

0,03…0,15

102…104

Тв

1

1..2

10…104

1,06

1

до 103

П/п

0,1

10…30

10…102

0,8…1,55

10

1,5…3


В таблице приведены основные параметры применяемых в настоящее время лазеров. Анализ этих данных приводит к выводу, что достаточно универсальным источником ко­герентного излучения для микрооптоэлектроники может быть лишь инжекционный полупроводниковый лазер.
Сравнивая полупроводниковые лазеры с другими типа­ми лазеров, можно выделить следующие достоинства полу­проводниковых лазеров:

1) малые массо-габаритные показатели и большое опти­ческое усиление (103-104см-1 );

2) высокий КПД ;

3) простота накачки лазера: инжекция не требует вы­соких питающих напряжений и мощностей;

4) высокое быстродействие;

5) возможность генерации излучения заданной длины волны в широком диапазоне, что достигается выбором по­лупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны;

6) технологическая и эксплуатационная совместимость с элементами интегральной оптики.

Современным полупроводниковым лазерам присущи та­кие недостатки:

1) относительно низкие параметры когерентности излу­чения (?? и ?), что объясняется высокой плотностью активного вещества, малой длиной резонатора и малой вы­ходной апертурой;

2) низкая долговечность, равная для промышленных образцов 102—103 ч; в то же время теоретические расчеты показывают, что долговечность инжекционных лазеров мо­жет быть выше 105 ч.

Снижение долговечности реальных приборов прежде всего связывается с постепенной деградацией (старением) полупроводникового лазера. Деградация стимулируется очень высокими плотностями тока, а также потоков опти­ческой и тепловой мощности, которые характерны для ра­боты полупроводниковых лазеров.

Основным деградацнонным эффектом является увеличе­ние концентрации безызлучательных центров в активной области за счет внедрения атомов неконтролируемых при­месей и образования новых дефектов. Кроме того, имеет место снижение активности излучательных центров и воз­растание поверхностной рекомбинации.

В областях применения, требующих больших импульс­ных мощностей излучения в сочетании с высокой направ­ленностью (локация, подсветка целей, дальняя волоконно-оптическая связь и т. п.), наибольшие перспективы имеют твердотельные лазеры.

Газовые лазеры неизменно остаются вне конкуренции во всех тех устройствах и системах, где определяющей является высокая степень когерентности лазерного излуче­ния.
1   2   3   4   5   6


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации