Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 40
Текст из файла (страница 40)
У ОаА1Аз-лазеров возникает проблема окисления алюминия, что способно привести к повреждению выходных торцев в результате поглощения лазерного света. Чтобы избежать этого, применяют 1пбаАзР по возможности без содержания алюминия. ДЛИНВ ВОЛНЫ, МКМ 4,0 2,5 1,6 Ц2 1,0 0,8 0,7 0,6 0,63 0,62 0,6З 0,60 Й 0,59 й 0,58 0,57 0.56 0,55 0,54 2,0 1,0 Межзонный интервал, за Рне. 10.3.
)т)ежзонные интервалы, длины волн и постоянные (шаги) решетки для 1лбаАВР и баА1АВ как функция атомных составляющих. Для ОвА1АВ эти величины находятся на пунктирной линии, для 1пбаАВР располагаются внутри площади, заключенной между соединительными кривыми лля 1лАВ, 1лР баР ОаАВ и снова 1ллз. Полупроводники с межзонным интервалом при непрямых переходах не годятся для лиодных лазеров (по данным Гехта) В процессе производства точный контроль длины волны лазера возможен только в пределах неопределенности в нанометровом диапазоне.
Для передачи информации особенно благоприятны длины волн от 1,3 до 1,6 мкм, так как оптические волокна в этой области обнаруживают минимальные затухание и дисперсию. Поэтому злесь находят применение лазеры на основе 1пбаАаР (см. также раздел «Лазеры для дальней связи»).
Лазеры на баА1АВ с длиной волны около 780 нм широко и успешно используются лля оптического считывания носителей аудио- и видеозаписи (компакт-дисков). 10.3. Конструктивное исполнение диодных лазеров Конструкция диодного лазера в схематическом представлении дана на рис. 10.4. Две плоскопараллельных торцевых поверхности, которые обычно создаются путем расщепления кристалла, образуют резонатор. При необходимости выходные торцы, полностью или частично, снабжаются зеркальным покрытием. Такие структуры 10.3.
к ру д д к \В~~7~ именуют лазерными диодами Перо — Фабри (в отличие от появившихся позднее лазеров с обратной связью = РЕВ). Поскольку например, показатель преломления полупроводника ОаАз составляет: и = 3,6, вычисляется коэффициент отражения: и = 1' (л — и')/(л + л') 1з = 0,32 с и' = 1 для воздуха. Дополнительное зеркальное покрытие в данном случае не обязательно, ибо усиления диодных лазеров здесь и так вполне достаточно. Другие поверхности кристалла обладают определенной шероховатостью, так что никаких колебаний в нежелательных зонах не ожидается. По причине дифракции в узком поперечном сечении излучения угол расхождения выходящего пучка будет составлять примерно 30' в направлении, перпендикулярном плоскости активного слоя.
В других направлениях дивергенция меньше, так как ширина слоя больше толщины активной зоны 41. Ток возбуждения ерный пучок; = мкм Рас. ГОЛ, Конструкция простого диодного лазера (гомоструктура) У лазера с гомоструктурой согласно рис. 10 4 слои р- и и-типа состоят из одного и того же вещества, но с легированием разными примесями. Управление пучком в активном слое лазера едва ли возможно, и луч может проникнуть в зоны, не способные к вынужденному излучению. В результате не исключены потери, и пороговый ток для генерации лазерного излучения оказывается слишком высоким. При комнатной температуре он составляет порядка 100 кА/см', так что непрерывный режим работы здесь отпадает.
Двойная гвтероструктура Заметное снижение плотности и величины порогового тока получают при использовании лазера двойной гетероструктуры, показанной на рис. 10.5. При гетероструктуре изменяется интервал между пограничными зонами. Поскольку межзонный интервал и показатель преломления зависят друг от друга, в гетероструктуре происходит резкое изменение последнего. По образующемуся при этом волноводу лазерный луч с большей точностью управляется в активной зоне, благодаря чему значительно сокращаются возможные потери. Активная зона состоит из ОаАа-слоя толщиной от 0,1 до 0,5 мкм с переходами в СгаА)Аа-зоны р- и л-типа (рис. 10.5).
Дырки и электроны из р- и л-зон инжектируются в активную СзаАз-зону, где возникает перенаселенность. (~та г„и.л ге т ., р, Профиль интенсивности лазерного излучении злучение Рис. 10.5. Конструкция лиодного лазера с двойной гетероструктурой л р р Во! умуАь!ОоАь!Оо! кАГкдь й Электроны;" Й.
я Поло дырки рзрлт с1 -Ч 1--О !1 Рис. !Охи Энергетические зоны электронов и дырок в лазере двойной гетероструктуры, а также пространственное распределение показателя преломления и и интенсивности света Полосковые лазеры Дальнейшего понижения необходимых токов возбуждения и улучшения характеристик пучка можно добиться за счет боковой подачи тока и излучения в активном На рис. 10.6 показаны энергетические зоны лазера с гетероструктурой. СзаА)Аз имеет увеличенный по сравнению с ОаА5 межзонный интервал, поэтому в активном слое СзаАз образуется потенциальная яма для электронов верхней зоны проводимости и барьер для положительных дырок валентной зоны. Благодаря этому уменьшается диффузия электронов и дырок из узко ограниченной активной среды лазера. Другое важное преимущество заключается в том, что показатель преломления СаА)Аа примерно на 5 % выше, чем у СаАз.
Профиль показателя преломления действует как волновод (см. здесь также главу ! 2), и протяженность лазерного луча в направлении, перпендикулярном плоскости активного слоя, сужается. Сужение активной зоны и ограничение лазерных мод приводит к уменьшению порогового тока примерно со 100 кВ/см' до 1 кВ/см'. Благодаря этому становится возможным непрерывный режим генерации лазерного излучения при комнатной температуре. д«.З.К .,у -.. ----д-д. - р., Д~В~» слое.
При наличии достаточно узкой активной зоны допускается теперь поперечная основная мода, что повышает стабильность излучения. Сужение зоны лазерного излучения достигается путем полосковой подачи тока (рис. 10.7). Ток возбуждения течет теперь по узкой зоне, так как боковые зоны обладают большим омическим сопротивлением. Таким образом, усиление сконцентрировано преимущественно на этой узкой зоне. Лазеры такого типа относят к устройствам с «управляемым усилением» (англ, 8аш 8цЫес)). Недостатком здесь считается тот факт, что ни ток, ни излучение не имеют точного бокового ограничения.
С большим омическим сопротивлением С управляемым усилением !т — баА» — баА(А» аА» со структурой л- или р-типа (активный слОЙ) Гетеропереходы и — баА1А» и-баА» Поток электронов С управляемым показателем преломления и — баА» (активный слой) р — баА)А» и — баА1А» Гетеропереходы п — баА)А» Рне. 10.7. Полосковые диодные лазеры с управлением по усилению и по показателю преломления (черным цветом обозначена активная зона) Волновооные лазеры ребристой структуры (англ.
гЫде ига)уедиЫе /азег) Боковое распространение лазерного пучка в активной зоне может быть достигнуто н на основе ребристых структур, подобных той, что показана на рис. 10.8. Точное боковое ограничение получают при лазерах с управляемым показателем преломления (см.
рис. 10.7). В устройствах такого типа активная зона сбоку огранивается слоем л-типа. Благодаря этому ток с большей точностью проводится через активную среду. Дополнительно сбоку понижается показатель преломления, что приводит к образованию волноводной структуры. Это является условием достижения непрерывного одномодового режима генерации. За счет полосковой структуры заметно облегчается ввод в оптические волокна. Для диодных лазеров с управляемым показателем преломления пороговый ток составляет около 1О мА при комнатной температуре.
В целях повышения выходной мощности в случае широкополосных лазеров можно отказаться от генерации на поперечной основной моде и использовать широкую активную зону примерно до 200 мкм. Мощности при этом могут достигать десятиваттного диапазона. Для лазерных стержней шириной 1 см и длиной резонатора 3 мм с расположенными на нем многочисленными параллельными полосками ожидаются выходные мощности до 1 кВт при длинах волн от 800 до 980 нм. Типовые коэффициенты заполнения: до 40 % при непрерывном режиме и почти 90 % при импульсном режиме. (~90 Г !О.П Гд д При этом ребристый выступ шириной в несколько микрометров действует как волновод, а эффективный показатель преломления зависит от толщины используемого рабочего вещества. Ребристый волновод имеет основную моду с относительно большим поперечным сечением, что позволяет достижение выходной мощности до 1 Вт.
Рие. 10.8. Схема волноволного лазера ребристой структуры в поперечном разрезе Лазеры с горизонталтзным резонатором и поверхностным излучением 1нс5ее = англ. 11ог1зопга1-сазлтузииасе-ет!Япд) Исполнение с краевым излучением может быть модифицировано в лазер с поверхностным излучением. С этой целью активный слой подвергается поверхностному травлению под углом 45', так что луч в результате полного отражения отклоняется под углом 90' На рисунке с левого края размещено одно зеркало, в то время как второе (отражатель Брэгга) располагается параллельно плоскости активной зоны.
Лазеры НСБЕЕ предлагают особые преимушества, в частности, с точки зрения охлаждения и монтажа С зеркальным локрытнем Пучок лазерного излучения Рис. 10З. Схема конструкции лазера с поверхностным излучением ат.х рг * д «р* (~9~ Тралецеидалыйый усилитель Для режима генерации на основной моде с пучком высокого качества можно воспользоваться системой генератор — усилитель (англ. шаиег озсг11а1ог роцгег ашрййег, или МОРА, рис. 10.10).
При этом генерирующий на основной моде лазер малой мощности усиливается посредством трапецеидального широкополосного диода. Выходные торцы этого диода имеют уменьшенное отражение, поэтому диод не достигает порога лазерного излучения. Благодаря такому усилению удается получить мощности в несколько ватт. 750 750 рш )ггп тивоотражением ,05«ь) Решетк с обрат связью Излучение; рпз = мкм Активная зона Рис. 10. 10. Схема конфигурации «д иоды ый лазер — генератор — усилитель«, состоящей из генератора (например, лазера с отражателем Брзгга) с трапецеидальным усилителем ((.
— ток для лазерного генератора, 1„„— ток для лазерного усилителя) (по данным и. Пойзера, фирма «Даймлер-Бенц» ) Лазерные матрицы и лакеты для высоких выходных мощностей На носителе, или стержне (англ. Ьаг) можно разместить несколько полосковых лазеров рядом параллельно друг другу и получить так называемую «матрицу>, или решетку (рис. 10.11). Подобные конструкции обеспечивают непрерывные мощности выше 200 Вт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
