Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Основной областью их применения является накачка твердотельных лазеров, в частности, на активной среде с неодимом. Ток -ПаА)Ав Рис. 10.11. Матрица, аА!Аз активная зона (черная) или решетка из нескольких параллельно чэаАз подложка расположенных полосок лазерных диодов ~~~~~92 Глава 1(). Полупроводниковыелазеры Матрица диодныхлазеров Изоляционная Проволока Рис. 10.12. Пакет лазерных матриц(поданным п.
Пойзсра, фирма «Даймлер- Бенц», Оттобрунн) Несуез с охлаждением Полупроводниковые лазеры могут охлаждаться и с двух сторон, для чего достаточно удалить подложку. Специалисты фирмы «Йеноптик Лазердиодеа использовали для этой цели отдельный стержень с выходной мощностью около 500 Вт. Для достижения высокой мощности лазера при минимальном теплообразовании лазерные диоды функционируют в импульсном или квазинепрерывном (англ, с(цаз1 соп11поцз ттауе = с)тес) режиме.
Отношение длительности импульсов к межимпульсному интервалу обозначается как «с(цгу сус1еа и составляет от 1 до 20 % при длительности импульсов в диапазоне от наносекунд до миллисекунд. Среднее тепловыделение при этом соответственно снижается. Температура во время длительности импульса Затем несколько таких матриц можно собрать в один пакет (англ. згасй), что позволяет получить непрерывные выходные мощности до кВт-диапазона (рис.
10.12 и 10.13). Качество пучка при этом, правда, нельзя назвать безупречным, но такие конструкции вполне успешно используются в области обработки материалов — например, при выполнении сварочных швов миллиметровой ширины. Особую проблему при создании высокомощных лазеров создает отвод тепла, выделяющегося в структуре светоизлучающего полупроводника: электрическая энергия там не полностью преобразуется в лазерное излучение. Кпд составляет здесь всего 50 %, а желательно иметь все 80 %.
Структура светоизлучающего полупроводника состоит из ряда слоев обшей толщиной в несколько микрометров. Эти слои размещены на подложке гораздо большей толщины — например, 50 мкм. Для достижения эффективного отвода тепла металлизированная сторона слоя структуры лазера с применением подходящего припоя (например, из сплава индия и золота) припаивается к металлическому теплоотводу (например, медной чушке), обладающему значительно большим поперечным сечением, чем лазерная структура.
В результате этого тепловой поток расширяется и передается в окружающую среду. Между структурой лазера и медным теплоотводом можно предусмотреть также алмазный слой для распыления теплового потока. Алмаз обладает очень высокой теплопроводностью и быстро увеличивает поперечное сечение, по которому проходит тепло. ю.р.х рр * р р р ° Д не возрастает до стационарной величины, соответствующей пиковой мощности.
В квазинепрерывном режиме можно работать с более высокими токами возбуждения, чем в непрерывном режиме, что позволяет получить импульсные пиковые мощности в два раза выше максимальной непрерывной мощности. Впрочем, это возможно только при длительности импульсов до 1 мс, поскольку при более долгих периодах включения устанавливается стационарная температура, как в непрерывном режиме! мо З,о 88 ф О. 88 о эс 44 а ко Ф р ис «о 22 с тр. $ 2,4 0 18 $ О 1,2 с С в 0,8 о о 0 Рис.
10.13. Выходная мощность и ток высокомощното пакета диодных лазеров 0 100 20 40 80 80 ток возбуждения (А) Лазеры с потенциальной ямой и потенциальной тонкой Полупроводниковые лазерные слои можно получить, например, на основе эпитаксии молекулярного пучка толщиной с( < 30 нм. Эта толщина соответствует порядку величин длины волны де Бройля для электронов ()ь = Ьррр, где: р = импульс, Ь = постоянная Планка).
Инжектируемые электроны и дырки находятся при этом в так называемой «потенциальной яме» и образуют стоячие волны де Бройля. Энергетические состояния валентной зоны и зоны проводимости соответствующим образом квантованы. Вместо непрерывной зонной структуры возникают энергетические состояния с непрерывной минимальной энергией Е„Е„Е„... (рис. 10.14). Лазерное излучение генерируется через индуцированные переходы между этими уровнями. Типовой лазер с потенциальной ямой, или «( Мап~пп тве11>-лазер состоит из активного слоя 08Аз, окруженного слоями ьраА)Ав л- и — р-типа. Такие лазеры могут конструироваться и из других полупроводниковых материалов. Несколько потенциальных ям с промежуточными слоями собираются в единый пакет, образуя, таким образом, мультиплетный потенциальный барьер (англ.
пщ11!р1е г!пап1шп ире!!), используемый, например, для создания лазера с поверхностным излучением (см. ЧСЬЕЕ в п. 10.6). Преимущество «лазера с потенциальным барьером» состоит в дальнейшем понижении порогового тока — в два, и даже в три раза. Кроме того„температурная зависимость порогового тока здесь меньше, поэтому возможен непрерывный режим до 100 мВт при комнатной температуре. Лазерное излучение может достигать красной области спектра до 700 нм.
Радиационное время жизни составляет порядка 10' часов. Лазеры подобного типа могут выполняться также в форме полосковых конструкций и складываться в матрицы. При наличии потенциальной ямы движение электронов в одном направлении ограничено. Свободное движение электронов возможно только по двум размерностям параллельно поверхности слоя. Дальнейшее сокращение размерности получают в случае так называемых потенциальных точек (англ. г)цап1цш до1з), которые могут быть реализованы на основе небольших кубиков, шариков или пирамидок из полупроводникового материала, так что движение электронов будет квантовано во всех трех направлениях пространства.
Несколько потенциальных точек, уложенных в подходящую матрицу, образуют эффективную лазерную среду. Достоинство такого лазера состоит в очень малой зависимости длины волны излучения от температуры, что имеет особое значение при передаче информации по стекловолокнам и т.п. Е (СаА») Е (С А!А~) 10.4. Характеристики излучения лазеров на основе баА!Аз и !лбаАзр Довольно широкое применение имеют коммерческие лазеры на ОаА)Аз с длиной волны от 640 до 880 нм 1см, таблицу 10.1). Путем изменения концентрации А1 удается управлять межзонным интервалом и, следовательно, длиной волны. В качестве подложки используется ОаАз, поэтому такие системы называют также ОаА)Аз/СаАл- или ОаАв-лазерами.
Мощность при генерации на одной поперечной моде может составлять до 100 мВт при кпд около 50 %. Лазеры на 1пОаАз могут иметь двойную гетероструктуру. С подложкой из 1пйаР они излучают в красной области спектра при 640 н 700 нм. Если используется подложка 1пр, то получают длины волн от 900 до 1600 нм. Исполнения на 1пйадлР обычно коротко именуют 1пР-лазерами. Лазеры на 1пбаАв способны излучать около 1,06 мкм 1см.
нижнюю кривую на рис. 10.3) и поэтому находят применение также в качестве замены либо для моделирования лазеров на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом. Ширина полосы лазерных диодов может быть в диапазоне от 0,1 нм 1для олномодовых лазеров с продольной накачкой) до 100 нм (в импульсных лазерах).
Длина волны сдвигается на 0,25 нм/'С вЂ” при Оа„А!, Аз и на 0,5 нм/'С вЂ” при 1 194 Глава 10. Полулроводлаковыелазеры Ряс. 10. 14. Упрощенная энергетическая структура «лазера с потенциальным барьером», где Е„Е„Е, есть энергетические состояния электронов, а Е„, Еме Ем — энергетические состояния дырок (см, также рис. 10.6).
Электроны втекают с л-стороны с последующей рекомбияацией в потенциальной яме с дырками ~а4.хр р ° у- р гАм ~ с~р (ч~ 1п Оа, „Аз Р, . Эти лазеры нередко генерируют на нескольких модах, и тогда— вследствие изменений температуры — происходят скачки моды (межмодовый интервал ЛХ = У/2лЕ = 0,6 нм, л — показатель преломления, Š— длина резонатора, л — длина волны).
Для эксплуатации непрерывных лазерных диодов требуется источник стабилизованного тока, обязательно защищенный от коммутационных пиков, в противном случае, лазер может быть разрушен под действием перенапряжений. таблнаа гвл. Типовые характеристики полупроводниковых лазеров, генерирующих на основной поперечной моде в непрерывном режиме (по данным Кнойбюля и Зигриста) Характеристики излучения Диодный лазер демонстрирует зависимость выходной мощности от тока возбуждения согласно рис.
! О. 15. Ниже порога Т,„получают спонтанное излучение с большой спектральной шириной полосы — так же, как у светоизлучающего диода. На уровне порога эти потери компенсируются, и возникает индуцированное излучение. Выше порога выходная мощность линейно зависит от тока накачки, как уже говорилось в п. 2.7. Эта линейная зависимость объясняется тем, что практически постоянная доля инжектируемых в качестве тока электронов приводит к испусканию фотонов.
Зависимость выходной мощности от напряжения значительно сложнее, поскольку даже в идеальном варианте между током и напряжением существует экспоненциальная связь. По этой причине диодные лазеры в большинстве случаев функционируют с регулированием тока, а изменения напряжения при этом относительно невелики. Выходная мощность сильно зависит от температуры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
