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]

обладает высокой степенью оптической однородности, реальный угол расходимости луча (1...2) приближается к дифракционному углу расходимости, то у рубинового лазера расходимость генерируемого излучения значительно больше Д#д. У твердотельных и жидкостных оптических квантовых генераторов ширина лазерного луча определяется не дифракцией света, а оптическими неод-нородностями активной среды, главным образом возникшими в процессе накачки и генерации (термические линзы и т. п.).

У инжекционных лазеров наблюдается обратная ситуация: основная причина большой расходимости генерируемого излучения - это его дифракция при выходе из активного слоя. Для длины волны излучения лазерного диода на основе GaAs А, = 0,85 мкм и d = 2, 3,4, 5 мкм из (3.26) следует #д«31,20, 15, 12° соответственно. Неоднородности активного слоя приводят к дополнительному расширению луча, однако в целом они играют второстепенную роль по сравнению с дифракцией света.

Ширина активного слоя лазерного диода обычно составляет десятки или сотни микрон, поэтому угол дифракции излучения в плоскости р - л-перехода #1 на один-два порядка меньше, чем #2 в плоскости, перпендикулярной к ней. Опыты показывают, что для высококачественных лазерных диодов, работающих в одно-модовом режиме, fli порядка 1°.

При многомодовой генерации, естественно, луч становится широким и в этой плоскости. Индикатриса излучения состоит из многих лепестков. В плоскости, перпендикулярной к плоскости р - л-перехода, угол расходимости #2 составляет примерно 10° и более. В некоторых диодах индикатриса излучения отклонена от плоскости р - л-перехода в сторону л-типа. Это связано с асимметрией волновода, который образуется в лазерном диоде: пассивная область л-типа характеризуется меньшим коэффициентом поглощения генерируемого излучения, чем р-область.

Теоретические и экспериментальные исследования картины ближнего и дальнего полей излучения гетеролазеров показывают, что с достаточной степенью точности активный слой можно моделировать плоским металлическим волноводом, заполненным диэлектриком,


Рис. 3.11. Расходимость излучения инжекционного лазера:

#1 - угол расходимости в плоскости р - л-перехода: #г - угол расходимости в плоскости, перпендикулярной к р-л-переходу

а угловое распределение излучения в вертикальной плоскости (рис. 3.11), как и у гомолазеров, определяется дифракцией волноводной волны на открытом конце волновода.

Инжекционные лазеры по своим размерам близки к точечным источникам излучения. Поэтому угол расходимости лазерного луча с помощью оптических систем можно резко уменьшить или сфокусировать луч на малую площадку.

Экспериментальное определение спектра усиления активной среды. Спектр усиления, мощность люминесценции и разность квазиуровней Ферми для электронов и дырок в активной области, в значительной степени определяющие энергетические характеристики инжекционного лазера, относятся к величинам, которые практически трудно измерить. Теоретический расчет может дать только приближенные значения этих величин, по-CKOJjbKy ряд исходных данных, в частности плотности состояний, между которыми совершаются оптические переходы, вероятности неоптических переходов и потери люминесценции, как правило, точно не известны.

При накачках, превышающих пороговую, коэффициент усиления в активной области легко определяется только для частоты генерации, где он равен коэффициенту потерь. Относительно квазиуровней Ферми для электронов и дырок достоверно известно только, что их разность больше, чем энергия генерируемых квантов света (см. соотношение (1.30)). Основная трудность в определении значения мощности люминесценции внутри диода связана с тем, что не известно, какая доля общего излучения выходит из диода и может быть зарегистрирована прибором. Решение задачи становится возможным, если воспользоваться универсальным соотношением между мощностью люминесценции и коэффициентом поглощения.



Согласно (5)*\ (1.29), (2.23), (2.24) Wc„(\) 8л/гуЗ 1

K(V)

2 g(Av-Af)/W j •

(3.28)

По определению, люминесценция является превышением над фоном теплового испускания и связана с Ucn(v) равенством

W(v) = W,„(v)-VgK(v)u°{v) =

Отсюда с учетом (3.28) приходим к универсальному соотношению

K(v) 1 е-*г g(/.v-f)Mr i l--J

Формула (3.30) позволяет по измеренным экспериментально спектру люминесценции и частоте генерации рассчитать AF, спектр усиления и мощность люминесценции в абсолютных единицах.

Действительно, измерив спектр люминесценции, легко рассчитать и построить серию кривых для k(v) при различных значениях AF. В лазерных диодах генерация осуществляется на частоте Vr, коэффициент усиления на которой достигает максимального значения. Поэтому, измерив Vr, из серии кривых /c(v) следует выбрать ту, которая имеет максимум усиления в точке v = Vr. Значение AF для этой кривой и будет искомым расстоянием между квазиуровнями Ферми. Учитывая далее, что в точке Vr выполняется условие - K:(v)=«;n, находим абсолютное значение «:(v) по всему спектру в пределах измеренной полосы люминесценции. После определения AF и k{v) по формуле (3.30) рассчитывается спектр люминесценции в абсолютных единицах. Площадь, ограниченная кривой Wj,(v) и осью частот v, равна интегральной по частоте мошности люминесценции.

Данная методика определения AF, k{v), W{v) применима только в том случае, если регистрируемый спектр

* Соотношение (5) получено для вакуума. В среде с групповой скоростью Vg и фазовой скоростью v справедливо равенство

A/B = Snhv/Vgv\ (5а)


Рис. 3.12. Спектр поглощения k{v) при AF - = 1,465 (/); 1,467 (2); 1,469 эВ (3) и мощность люминесценции W„ (4) в активной области лазерного диода

излучения по форме совпадает со спектром люминесценции, которая содержится в активном слое и не искажена усилением. Излучение, выходящее из зеркал резонатора, при больших токах инжекции всегда искажено (см. рис. 3.1), и поэтому необходимо измерять люминесценцию, которая выходит из боковых граней диода. Путем матирования боковых граней и уменьшения ширины диода измеряемый спектр может быть максимально приближен к спектру люминесценции внутри диода.

На рис. 3.12 приведен спектр люминесценции, выходящей из области р - л-перехода перпендикулярно к оси резонатора, при плотности порогового тока /„ = = 560 А • смДлина диода / = 2,5 мм, площадь р - п-перехода s = l,25-10" см, р = 1,5 см". Энергия генерируемых фотонов /ivr= (1,461 ±0,002) эВ, коэффициент потерь к:п=6,1 см~. На рисунке приведены также кривые {1,3) для коэффициента поглощения, построенные для различных близких значений AF. Как легко видеть, положение минимумов кривых k(v) весьма чувствительно к изменению AF. Поэтому основным источником ошибок в определении расстояния между квазиуровнями Ферми в данном методе будут погрешности в измерении спектра люминесценции. Предположим, что спектр люминесценции измерен точно, тогда в исследованном диоде находим значение AF= 1,467 эВ,



так как кривая k{v) имеет минимум в частоте генерации при этом значении AF.

Значения k(v) в различных точках спектра приведены на рисунке, а интегральная по частоте мощность

люминесценции в = 0,89 МВт-см-I

расчете на 1

равна W =

Полученные значения k{v) можно использовать в свою очередь для оценки эффективной ширины люми-несцирующей области йэф с помощью равенства

Sd л = У]л

(3.31)

где У)л - внутренний выход люминесценции; - частота в максимуме полосы люминесценции.

Подставляя в (3.31) значения /iv = 1,469 эВ, / = = 560 А-см", т)л = 0,7, находим с(эф = 6,5 мкм, что весьма близко к наблюдаемой толщине светящейся области диода порядка 10 мкм. Это служит косвенным подтверждением правильности найденных абсолютных значений величин \F, k{v) и Wii{v).

Лазеры с распределенной обратной связью. Лазеры, активная среда которых является периодической оптической структурой, отражающей генерируемое излучение, называются лазерами с распределенной обратной связью (РОС-лазерами). Для РОС-лазеров зеркала резонатора не требуются, "так как их функции выполняет сама пространственная структура.

Пусть, например, в активной среде показатель преломления и коэффициент усиления изменяются вдоль оси X по косинусоидальному закону:

п(х) =n-f П cos Кх,

Кус(х) -Kyc + Ki ус COS Кх.

(3.32) (3.33)

Тогда пороговое условие генерации в беззеркальном резонаторе при достаточно больших значениях ехр(2к:ус/) имеет вид

4<ехр(2М)=(-)

I ус

(3.34)

Здесь к: = 2л/Л, Л - постоянная фазовой решетки; / - длина активной среды вдоль оси х. Когда решетка создается модуляцией только показателя преломления

или только коэффициента усиления, то из (3.34) следуют более простые пороговые условия.

Обратная связь в беззеркальном резонаторе устанавливается вследствие брегговского отражения электромагнитной волны от периодической структуры, при этом длина волны нулевой аксиальной моды удовлетворяет условию

° =А, (3.35)

а расстояние в спектре между т-й и {т-ными модами, когда X2dn, равно:

1) -й неаксиаль-

Хт - Хщ - 1 А.0

где d - толщина активного слоя.

В лазерах с одномерной решеткой картина дальнего поля излучения на экране имеет вид узких линий. Если сделать двумерную решетку, то на экране будут наблюдаться отдельные точки, как при дифракции рентгеновских лучей. Обратная активная связь устанавливается не только при модуляции я и Кус в толще активной среды, но и когда дифракционная решетка создана на поверхности достаточно тонкого волноводного слоя (см. рис. 1.7, е). Такая решетка позволяет вводить излучение в волноводный слой и выводить его. Лазеры с распределенной обратной связью характеризуются сравнительно небольшим дифракционным углом расходимости излучения.

Вопросы и задачи

3.1. в стационарном режиме генерации Kydvr) = = K:n(vr), и потому вся избыточная над порогом накачка, казалось бы, должна идти только на увеличение мощности генерации. Чем объясняется рост люминесценции после преодоления порога? 3.2. Напишите формулу для мощности генерации инжекционного лазера в линейном приближении. 3.3. Какой физический смысл имеют внутренний и внешний квантовые выходы генерации? Как оии связаны с квантовым выходом люминесценции? 3.4. Чем объясняется скачкообразное увеличение мощности генерации? 3.5. Какие сведения можно получить на основании изучения ближнего поля генерации? 3.6. Изобразите графически ватт-амперную характеристику лазерного диода. 3.7. Почему с увеличением длины диода и / = const мощность генерации вначале растет.



[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]

0.0008