Главная  Усиленная люминесценция 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [ 20 ] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

§ 3.3. ОСНОВНЫЕ КАНАЛЫ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ИНЖЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРАХ

Внутренние лазерные параметры. Понижение порога и повышение мощности генерации - одна из основных задач квантовой электроники. Поиски путей решения этой задачи связаны с изучением каналов потерь энергии в лазерах. Поскольку порог, мощность и КПД генерации являются обобщенными характеристиками прибора в целом, т. е. зависят от спектроскопических свойств активной среды, качества волноводной структуры, неоднородности вещества и характеристик резонатора, то их изучение недостаточно для целенаправленной работы по совершенствованию лазеров.

Новые возможности в этом направлении открывает экспериментальное определение и исследование внутренних лазерных параметров: р, р, /о и т]г. Каждый из них характеризует определенные каналы потерь энергии. Параметры р и /о связаны с толщиной активного слоя, со спектроскопическими свойствами вещества и определяются функцией плотности состояний, между которыми происходят квантовые переходы, вероятностями оптической и неоптической рекомбинации (см. (2.31)). Коэффициент внутренних оптических потерь определяет потери генерируемого излучения в активной среде при его прохождении между зеркалами резонатора (см. формулу (1.57)). Внутренний квантовый выход генерации (см. рис. 3.3) коррелирует с пятнистой структурой ближнего поля излучения.

Определение численных значений внутренних лазерных параметров позволяет сделать вывод о наличии резервов в дальнейшем совершенствовании лазеров или о характере изменений, происходящих в процессе деградации. Одно время, например, специалисты, отождествлявшие параметр а = р + р/о с внутренними оптическими потерями, считали главной причиной высокого порога гомолазеров, особенно при комнатных температурах, неоднородность активной среды, так как для а получали значение 100 и более обратных сантиметров. Фактически в этих диодах внутренние оптические потери были порядка 5см~, что свидетельствовало о высоком совершенстве монокристаллов, а такие значения р обусловлены неустранимым поглощением свободными носителями. Резервы заключались совсем в другом, и они были


Рис. 3.8. Зависимость плотности порогового тока j„ от обратной длины резонатора 1/1 гомолазера на основе GaAs

Рис. 3.9. Зависимость Sr от длины лазерного диода на основе GaAs при / = 2000 А/см (/) и /• = 3000 А/см (2)

реализованы при создании гетеролазеров. Ниже рассматриваются экспериментальные способы определения внутренних лазерных параметров.

Определение значений р, Р, /о. Если пренебречь величиной /о, то эта задача сильно упрощается. Измерение зависимости порога от коэффициента потерь позволяет сразу же найти аир.

Для экспериментального определения трех указанных параметров необходимо поставить два опыта. Во-первых, путем изменения длины диода или коэффициентов отражения зеркал резонатора измерить и построить график зависимости j„ от Кг, во-вторых, найти значение к"", при котором Sr достигает максимума (/ = const). Эти опыты непосредственно дают значения правых частей уравнений

Р"р + /о = /п(Кл = 0), (3.18)

(3.19)

(3.20)

Р" = А/п/Ак„

л/(/-/о)рР-р=кГ-

Здесь А/п/Ак, - тангенс угла наклона прямой /„(Кл); /п(Кг = 0) =/п101 - отсекаемый ею отрезок ординаты. Лазерные параметры впервые были измерены В. А. Са-мойлюковичем. Как правило, в диодах на основе арсенида галлия наблюдается линейная зависимость /„ от обратной длины резонатора 1/1 (рис. 3.8). Это справедливо до некоторого значения /о. Если длина диода больше /о, наблюдается значительный разброс точек функции /п(/) и тенденция к росту /„. Для различных диодов значение /о изменялось от 3,5 до 2,6 мм. Лазерные параметры определялись для диодов, у которых /</о.

Экспериментальные кривые зависимости Sr/l от / диода при двух значениях тока приведены на рис. 3.9.



Максимум кривых в соответствии с (3.20) сдвигается с увеличением плотности тока в сторону меньших длин диодов. При отклонении от оптимальной длины отношение Sr/l уменьшается быстрее, чем это следует из формулы (3.2). Вероятно, в этом случае внутренний квантовый выход генерации начинает зависеть от длины диода.

Определение т и р. Для нахождения внутреннего квантового выхода генерации- необходимы измерения мощности генерации в абсолютных единицах как функции тока накачки. Это позволяет получить равенство

г]г-i- = -г--г-:-- (3.21)

Если коэффициент внутренних оптических потерь уже определен по формулам (3.18) -(3.20), то из (3.21) сразу же рассчитывается т]г. Если же известно и р, то абсолютные измерения Sr при разных значениях Кг дают возможность найти и значение р. Для этого необходимо построить график

р 1

Tlr Кг

(3.22)

где г[ = у\гКг{Кг-\-р) - по-прежнему внешний квантовый выход генерации. В координатах \/г\ и 1/Кг формула (3.22) служит уравнением прямой, которая по оси ординат отсекает отрезок, равный 1 /тг, а тангенс угла наклона равен р/т1г.

После определения р отпадает необходимость искать оптимальное значение к"", поскольку из уравнений (3.17) и (3.18) легко найти значения р и /о.

Типичные значения внутренних лазерных параметров для диффузионных гомолазеров на основе GaAs и гетеролазеров на основе AlGai-As приведены в табл. 1.

Таблица 1. Типичные значения порога и внутренних лазерных параметров гомо- и гетеролазеров на основе GaAs и AlxGai iAs соответственно (по данным Г. И. Рябцева)

Тип лазера

т. к

/о. А/см

р, см

Р-10, см/А

Гомолазер

0,46

Гомолазер

25 ООО

43 000

0,05

0,06

Гетеролазер

2 340

2 100

0,43

Как видно, с ростом температуры от азотной (80 К) до комнатной порог генерации гомолазера увеличился более чем в 70 раз и достиг таких больших значений, при которых диод не может работать в непрерывном режиме из-за быстрого нагревания. Характерно, что внутренние оптические потери при этом остаются практически постоянными. Зато резко падает эффективность возбуждения: jo увеличивается, р уменьшается почти на два порядка. Одновременно сильно снижается внутренний квантовый выход генерации.

В гетеролазерах при комнатной температуре порог генерации на порядок меньше, чем в гомолазерах. Соответственно меньше и параметр /о. Основной выигрыш достигается за счет больших значений параметров р и т]г. Внутренние оптические потери такие же, как и у гомолазеров. По-видимому, решающую роль играет малая толщина активного слоя, его однородность и двустороннее ограничение носителей в гетероструктуре.

Рассеяние генерируемого излучения в активной среде. После преодоления порога в резонаторе наряду с генерируемым монохроматическим излучением появляется рассеянная радиация на частоте генерации. Расчет, аналогичный выводу (2.46), дает для средней скорости рекомбинации, индуцированной рассеянным излучением,

где рр - средний коэффициент рассеяния генерируемого излучения; Кр - коэффициент потерь рассеянного излучения.

С учетом (2.46а) функцию f{j) в (2.18) можно представить в виде

f(/)=/n + Y(/-/n) + -jrpSr, (2.15а)

где у равно относительной части тока сверх порога, которая расходуется на увеличение скоростей спонтанной и безызлучательной рекомбинации (см. формулу (3.11)); Гр = рр/(Кр -Кп)-параметр, изменяющийся от нуля до бесконечности.

Подставляя (2.15а) в (2.18), находим

Sr = S

hv, I-у

1 + Гр

Кг + Р

(3.2а)



Если Кр-Кп, то Гр-*-с», а мощность генерации стремится к нулю.

Введя параметр ур = рр/(рр + к. -Кп), показывающий, какая часть тока, превышающего порог, расходуется на рекомбинацию, стимулированную рассеянным лазерным излучением, вместо (3.2а) получим

S. = .(l-V)(l-Yp)(/-/n)

Кг + р

(3.26)

На основании (3.26) внутренний квантовый выход генерации можно выразить формулой

Лг=(1-7)(1-Ур)-

Рассеяние генерируемого излучения наблюдается на опыте и служит еще одной причиной снижения величины Цг- На основании измерения интенсивности рассеянного излучения, выходящего из разных точек боковой поверхности диода, установлено, что в плоском резонаторе с малыми значениями коэффициентов отражения зеркал плотность потока генерируемого излучения в центре диода меньше, чем около зеркал. Это согласуется с результатами теоретических расчетов для твердотельных лазеров.

Поскольку параметр Ур в значительной степени определяется размерами активной среды, то внутренний квантовый выход генерации также зависит от геометрии лазера. Еще раз доказан сделанный ранее вывод о том, что значение характеризует лазерный диод в целом и не имеет прямого отношения к квантовому выходу люминесценции.

§ 3.4. СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРИРУЕМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Одномодовый и многомодовый режимы генерации.

В предыдущих параграфах рассматривалась интегральная по спектру и направлениям распространения мощность генерации. Здесь необходимо остановиться на спектрально-пространственной структуре излучения.

Теория идеальных резонаторов устанавливает, какие типы электромагнитных колебаний в принципе могут существовать в резонаторе. Вопрос о том, какие волны будут реально генерироваться и какое будет соотно-

шение между амплитудами различных типов колебаний, выходит за рамки этой теории. Чтобы определить модовый состав генерируемого излучения, необходимо при решении уравнений Максвелла учесть нелинейные оптические свойства активной среды и выход излучения за пределы резонатора. Задача эта весьма сложная и решается приближенно.

В двух крайне идеализированных случаях картина генерации представляется в следующем виде. Предположим, что генерируемое излучение не оказывает обратного действия на активную среду. Коэффициент усиления полностью определяется спектроскопическими свойствами вещества и накачкой. Тогда моды генерируются независимо друг от друга. С ростом накачки процесс генерации распространяется на все новые и новые моды. Генерироваться будут все моды, для которых коэффициент потерь меньше или равен коэффициенту усиления.

В другом крайнем случае после возникновения генерации на одной или нескольких модах вся избыточная над порогом энергия возбуждения трансформируется в энергию излучения мод. Генерируемое излучение вызывает интенсивные вынужденные переходы и препятствует увеличению уровня инверсной населенности. После начала генерации коэффициент усиления остается постоянным при всех интенсивностях возбуждения, превышающих порог, а число генерируемых мод не изменяется.

Опыты показывают, что реальная картина генерации заключена между этими крайними случаями. Действительно, часто генерация вначале возникает на одной моде. С ростом накачки интенсивность линий излучения этой моды быстро растет. До некоторого времени она подавляет генерацию других мод, но подавляет не полностью. При дальнейшем увеличении накачки в спектре генерации появляется вторая мода, затем третья и т. д.

Спектры спонтанного и стимулированного испускания инжекционных гомолазеров на основе GaAs при различных значениях тока инжекции приведены на рис. 3.10. Если /<;/п, то наблюдается только широкая полоса люминесценции (см. рис. 3.10, а). При /ж/п на фоне этой полосы возникает первый пичок стимулированного испускания (см. рис. 3.10, б). С ростом накачки его интенсивность быстро увеличивается. Высота пичка становится на не-



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [ 20 ] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

0.0043