Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Угол расхождения в дальней зоне (зоне Фраунгофера) составляет обычно от 5 до 25 'С. Генерированное излучение носит вращательно-симметричный характер, что заметно облегчает ввод в стеклянный лазер. В специальной литературе сообщается о достижении высоких кпд связи порядка 90 %.
б) Моды а) !1 Частота — — з Рис. 10.27. Профиль усиления лля (а) лиолных лазеров с краевым излучением («длинный» резонатор со многими модами), )б) лазера ЧСБЕЕ («короткий» резонатор только с одной модой в профиле усиления) (206 Г !».0 у~ д у Пороговые токи находятся на уровне 100 мкА. В результате низкого порогового тока при более высоком рабочем токе сокращается доля электрической мощности, не преобразуемая в свет. При этом получают более высокую квантовую эффективность и меньшее теплообразование. Кроме того, становится возможной быстрая модуляция без высокого начального тока. Зависимость выходной мощности и необходимого напряжения питания от тока лазера ЧСБЕЕ с относительно большим диаметром 20 мкм демонстрирует рис.
10.28. О 2,0 » 20 СО * » У,О 2 3 э О О 2 О.О 0 О 0 2 д О О УО д2 У»у«у« «А Рис. 10.28. Характеристические кривые «тока — снеговой мощности» и «тока— напряжения» у лазера ЧСБЕЕ с диаметром 20 мкм и длиной волны излучения 850 нм 10.7. Полупроводниковые лазеры для нижнего ИК-диапазона Такие системы (РЬ, бп Ве, см. ниже) генерируют лазерное излучение в диапазоне от 3 до 30 мкм (см. таблицу 10.1). Они сконструированы по принципу других полупроводниковых диодных лазеров р — л -структуры, причем проводник р- или л-типа зависит от стехиометрии, то есть от соотношения элементов свинца РЬ, сурьмы бп и селена Бе в кристалле, а не от легнрования примесными атомами. Правда, функционируют они преимущественно при температурах < 100 К. Межзонный интервал и длина волны определяются, как и в случае полупроводников Ан'В; составом вещества. Дополнительно настройка может осуществляться по диапазону волнового числа 100 см ' (соответствует 10 % при длине волны 10 мкм) посредством охлаждения с коэффициентом от 1 до 4 см'у'К.
Прецизионная настройка возможна с помощью диодного тока и связанного с этим изменения температуры. Непрерывная перестройка в большом диапазоне представляется затруднительной, поскольку здесь неизбежны скачки моды. Лазеры на соли свинца используются преимущественно в молекулярной спектроскопии. На рис. 10.29 представлены линии поглощения некоторых важных молекул, приходящиеся на зоны перестройки диодных РЬ, Вп„бе-лазеров. С их помощью можно проводить спектроскопическое исследование и обнаружение молекулярных газов — например, примесей в воздухе, поэтому такие лазеры уже не одно десятилетие считаются надежным инструментом спектроскопических измерений с высоким разрешением.
В большинстве случаев с достаточной точностью измеряется вращательная линия при пониженном давлении. а7.л«р «р « * лх«ф Ширина лазерной линии должна быть для этого меньше, чем ширина линии поглощения молекулы. На основе относительно высокой скорости изменения тока (= 0,1 см 7мА) становится возможным развертывание молекулярной линии в кГц-диапазоне. Для коммерческих целей предлагаются лазеры на соли свинца в одномодовом режиме в диапазоне от 3 до 10 мкм.
При многомодовом режиме этот диапазон расширяется до 16 мкм. 12 длина волны, мкм Рис. 1ад9. Линии поглоШения некоторых молекул и зоны излучения удиодных лазеров на солях свинца (по данным Кнойбюдя и Зигриста) Квантовые каскадные лазеры Квантовые каскадные лазеры (ОСЕ) были открыты в 1994 году Ф. Капассо в БэлЛеборетри, США. Речь идет об униполярных конструкционных элементах, не обладаюших диодной структурой. Излучение генерируется в результате переходов электронов между определенными энергетическими состояниями в потенциальной яме (рис.
10.12). В отличие от этого, излучение в «лазерах с потенциальным барьером» генерируется на основе рекомбинации электронно-дырочной пары (рис. 10.12), то есть посредством перехода из зоны проводимости в валентную зону. Положение энергетических состояний и интервалы между ними определены шириной потенциальной ямы, которая на основе эпитаксии молекулярного пучка (М ВЕ) может быть реализована с очень высокой точностью. Обычно размещается (каскаднруется) последовательно друг над другом до 75 потенциальных ям, так что инжектируемый электрон в таком квантовом каскаде способен генерировать до 75 фотонов.
Перемещение электронов между светоизлучаюшими потенциальными ямами осушествляется в последовательности полупроводниковых слоев, представляющих так называемую «миниполосу». Вся каскадная структура включает в себя несколько сотен слоев и базируется на способе под названием «зонно-структурная техника» (Ьапг)-вггисгцге-епя1пеег!пя), Светоизлучение осушествляется перпендикулярно к плоскости слоя, как и у лазеров ЧСБЕЕ (с вертикально расположенным резонатором и поверхностным излучением). Квантовые каскадные лазеры основаны на 1пР или (новинка!) на ОаА1Аз.
При наличии подходяШей ширины потенциальных ям создаются лазеры с длинами волн от 3 мкм до 70 мкм. Квантовые каскадные лазеры способны функциониро- ~(злы г ю.п гн д р Лазерный переход в потенциальной яме Рлс. 10.30. Структура квантового кас- Электроны кадного лазера с лазерными переходами между состояниями потенциальной ямы. Частота переходов возрастает по мере уменьшения ширины потен- циальной ямы Отрицательный полюс Положительный п Зона инжекци (минипол Зона инжекции (миниполоса) для следующей потенциальной ямы Туннельный эффект (и излучение фононов) Электроны (получают энергию от внешнего напряжения и генерируют в следующей потенциальной яме очередной фотон) Квантовые каскадные лазеры находят применение, в частности, в спектроскопии и в тех отраслях промышленности, где ранее использовались фильтровые фотометры, ограничивающие область измерения из-за отсутствия спектрально чистых источников.
В качестве примера применения можно назвать также обнаружение СНи )х),0, ХО, СО и других загрязняющих газов при проведении анализов на содержание вредных веществ. Ширина потенциальных ям может выбираться с таким расчетом, что излучение будет возникать в ТГц-диапазоне (об излучении в единицах тетрагерц см. также в п.
17.4). Полупроводникоеьге лазеры дальнего ИК-диапазона Также и для дальней инфракрасной области спектра предлагаются полупроводниковые лазеры — например, р-Ое-системы для 50 — 140 см ~, то есть до длины волны 200 мкм. В этом случае, правда, требуется охлаждение жидким гелием и дополнительно — сильные электрические и магнитные поля. При этом излучаются импульсы длительностью в несколько микросекунд и достигаются пиковые мощности до 10 Вт (см, таблицу!0.1). 10.8. Лазеры на бай синей области спектра Для диодных лазеров зеленой, синей и фиолетовой областей спектра используются в настоящее время две вещественные системы: полупроводники АпВш на основе Упбе и нитриды АшВч на основе Оа1Ч.
Эти полупроводниковые соединения об- вать в непрерывном режиме и при комнатной температуре. Спектральные полосы могут быть понижены до 1О кГц. Диапазоны перестройки (до 2 %) у них меньше, чем у лазеров на солях свинца, но мощности выше (2 Вт при импульсном режиме и 0,5 Вт при непрерывном режиме). падают шириной запрещенной зоны, достаточно большой для эмиссии коротко- волнового излучения. Лучшие до сих пор значения соответствующих параметров приведены в таблице 10.2. Но эти лазеры продолжают успешно совершенствоваться, что дает повод ожидать более высоких показателей. тхкхяаа щз. Характеристики диодных лазеров сине-зеленой области спектра (лазеры на Оа)х! предназначены для коммерческих целей) Хазе (!!-Ч!) Сх!Ч (И!-Ч) Срок службы в непрерывном режиме при 300 К (часов) Плотность порогового тока (А/см') Пороговое напряжение (В) Макс.
выходная мощность в непрерывном режиме (мВт) Макс. выходная мощность в импульсном режиме (м Вт) Самая короткая длина волны при 300 К (им) 104 4 000 4,9 50 !00 Зб5 > !О' 200 3,7 60 834 474 Лазеры на основе полупроводниковых соединений АлВм Лазеры на нитридах АвВ' Светоизлучающие диоды (англ. 118)г! еш1!11пй йог(е, ЬЕР) из Оа)х) и Оа!п)х) впервые появились на рынке в 1993 голу как изделия японской фирмы Никиа Кемикелз. Эти Светоизлучающие диоды и полупроводниковые лазеры на основе соединений х,пБе синей и зеленой областей спектра уже давно изготовляются известным способом — посредством эпитаксии молекулярного пучка (МВЕ). В качестве вещества для подложки выбирается обычно ОаАз на основе хорошего согласования решеток и существующей технологии совместимой обработки.
Неплохо зарекомендовала себя и гомоэпитаксия на Улье-подложках. Впрочем, последние пока не могут быть предложены в достаточном количестве и требуемого качества и остаются еще довольно дорогими в изготовлении. Лазерные диоды на основе полупроводниковых соединений — как Ал'Вх, так и АпВ"', и полупроводниковые лазеры сконструированы в большинстве случаев в виде так называемых отдельных гетероструктур с простыми (одинарными) либо многократными потенциальными ямами, причем оптический волновод и включение носителей заряда реализованы отдельно друг от друга. Потенциальная яма 2пСЖе окружена волноводными х.пББе-слоями с согласованными решетками. Путем создания микроструктур уже производятся лазерные системы типа РВК (с отражателем Брэгга) и 1ЗГВ (с обратной связью).
При это получаются одномодовые лазеры с очень узкой шириной линии, длину волны излучения которой можно регулировать в широком диапазоне посредством подходящих периодов формирования структуры. Однако коммерческое применение тормозится до сих пор еще недостаточным сроком службы таких устройств. Их быстрая деградация вызвана, как и в начальный период полупроводниковых (Ал'В")-лазеров, специфическими дефектами (неизлучающими центрами рекомбинации), которые множатся в процессе эксплуатации. ~210 Г дд.П Уд д диоды, излучающие сначала голубой, а потом н зеленый свет, обладают в 100 раз большей светосилой, чем существовавшие до них Б(С-светодиоды синей области спектра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
