Диссертация (1149847), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Стоит отметить, что ширина линииизлучения классических полупроводниковых лазеров недостаточна для рядаприложений с высокими требованиями к когерентности излучения в биомедицинеи спектроскопии.Одним из ключевых факторов, определяющих указанную величину вполупроводниковых лазерах, является коэффициент амплитудно-фазовой связиили α-фактор.

Данный фактор количественно характеризует влияние зависимостикоэффициента преломления среды от концентрации носителей на ряд основныххарактеристик лазерного излучения. Кроме ширины линии, α-фактор оказываетсущественное влияние на устойчивость лазерной генерации. Наиболее яркоуказанное влияние проявляется в лазерах с инжекцией и обратной связью.В классической работе А.Л. Шавлова и Ч.Х. Таунса было показано, что длятвердотельных и газовых лазеров ширина линии обратно пропорциональнамощности излучения, а форма спектральной линии является лоренцевской [14].Позже, измерения, проведенные в работах [15-17], продемонстрировали, что вслучае полупроводниковых лазеров форма спектральной линии также являетсялоренцевской, а ширина линии также обратно пропорциональна мощности.Однако оказалось, что значение ширины линии превосходит величину,предсказываемую на тот момент теорией, более чем в 30 раз.Впервыетеоретическоеобоснованиеуширениюлинииизлученияполупроводникового лазера было дано Ч.

Генри в 1982 г. [18]. В данной работебыл рассмотрен механизм уширения спектральной линии, заключающийся в том,что вследствие изменения концентрации носителей происходит изменениекоэффициента преломления активной среды, что приводит к изменениюрезонансной частоты по мере изменения усиления в среде. Очевидно, чтоуказанный механизм оказывает существенное влияние на амплитуду и фазулазерного излучения.14Ширина спектральной линии Δν и величина α-фактора α определяютсяследующим образом [19, 20]:  1   2   ST r4 nN ,  i g(1)Nгде:ΔνST–частотаШавлова-Таунса;n–коэффициентпреломления;g – коэффициент усиления на единицу длины активной среды; λ – длина волны;χr, χi – действительная и мнимая части диэлектрической восприимчивостиактивной среды соответственно; N – плотность носителей [15]. Здесьдействительная и мнимая части диэлектрической проницаемости связаныизвестным интегральным соотношением Крамерса-Кронинга [18]Ненулевой α-фактор свидетельствует о том, что и коэффициент усиления икоэффициент преломления зависят от плотности носителей и, следовательно,являются связанными величинами.

Обычно для полупроводниковых лазеровзначение α-фактора колеблется от 1 до 7, в то время как в твердотельных игазовых лазерах имеет место нулевой α-фактор.Широкое использование α-фактора для количественного описания влиянияизменениякоэффициентаполупроводниковыхпреломлениялазероввызвалонадинамическиепоявлениерядахарактеристикитеоретическихиэкспериментальных работ [19, 21, 22], цель которых заключалась либо висследовании влияния параметров активной среды на указанный фактор, либо вразработке методик его измерения в работающих устройствах. Довольноподробный обзор ранних работ по данной тематике был проведен в работе [23].Учет α-фактора при моделировании работы полупроводниковых лазеровпозволяет описывать такие явления как изменение частоты лазерного излучения стечением времени, резкое падение когерентности излучения, вызванное наличиемобратной связи, бездифракционное распространение излучения в VCSEL сбольшой апертурой [24, 25]. Практически во всех динамических процессахα-фактор играет важную дестабилизирующую роль.15Как уже было сказано выше, значение α-фактора в полупроводниковыхлазерах отлично от нуля, в то время как в твердотельных и газовых лазерахзначение данного фактора нулевое.

Однако c развитием технологий выращиванияквантоворазмерных полупроводниковых структур, в первую очередь, квантовыхточек, появилась возможность значительно снизить величину α-фактора. Так, влазерах на квантовых точках теоретически возможна ситуация при которой имеетместо нулевой α-фактор.Основной целью многочисленных исследований является получение вполупроводниковом лазере излучения со спектром по характеристикам близким кспектру излучения твердотельного или газового лазера при сохранениитрадиционных для полупроводниковых лазеров компактности, надёжности инизкой стоимости.Идеальный ансамбль квантовых точек может быть описан как совокупностьидентичных друг другу двухуровневых атомов.

Распределение указанных системпо энергии, в отличие от распределения Ферми-Дирака, справедливого дляносителейвзонахпроводимостиивалентнойзоневтрадиционномполупроводниковом лазере, приводит к узкому и симметричному спектрукоэффициента усиления. Поэтому в лазере на квантовых точках при генерации начастоте с максимальным усилением в принципе возможна ситуация, при которойотсутствует α-фактор. На практике, вследствие, в первую очередь, неоднородногоуширения, обусловленного дисперсией размеров квантовых точек, спектрусиления теряет симметричность, что приводит к ненулевому значениюα-фактора.За последние годы были разработаны многочисленные методы измерениязначения α-фактора [26-29].

Условно их можно разделить на две основныегруппы. К первой группе относятся методики измерения α-фактора материалаактивной среды, ко второй группе – методы измерения α-фактора работающегоустройства.Моделирование на основе балансных уравнений показало, что дляклассических полупроводниковых лазеров и лазеров на квантовых ямах16теоретические и экспериментальные значения α-фактора хорошо согласуются.Однако в случае лазеров на квантовых точках измеренное значение α-факторасильно варьируется от метода к методу. Более того, в то время как теоретическипредсказываемые значения α-фактора в лазерах на квантовых точках либонулевые, либо близкое к нулевым, экспериментально полученные значенияизменяются в пределах от нуля до значений, близких к наблюдаемым вклассических полупроводниковых лазерах [23, 28, 29, 30].Такимобразомтеоретическоеобоснованиемеханизмауширенияспектральной линии в лазерах на квантовых точках на данный момент остаетсяпредметом интенсивных исследований.1.3 Динамика лазеров с инжекцией и обратной связьюС теоретической точки зрения лазер является чрезвычайно сложнымустройством.

Математическое моделирование лазера может быть проведено какна основе квантовой теории, так и на основе классических или полуклассическихпредставлений.Однойизнаиболееобщихмоделейлазераявляетсясистемасамосогласованных уравнений Максвелла-Блоха [31]. Она относится к такназываемым полуклассическим моделям, поскольку уравнения, описывающиесостояниявещества,носятквантовыйхарактер.МодельМаксвелла-Блоха является системой уравнений в частных производных, чтоделает её анализ крайне сложным.Наибольшее распространение получило семейство математических моделейлазера, основанных на полуклассическом описании и представляющих собойсистему обыкновенных дифференциальных уравнений, отражающих динамикуизменения параметров электромагнитного поля и состояния вещества в лазере.

КнаиболеераспространенныммоделямданноготипаотносятсямоделиСтатца-Де Марса и Лоренца-Хакена [31, 32]. Указанное семейство моделейназывают моделями на основе балансных или скоростных уравнений.17Очевидно, что при использовании моделей на основе балансных уравненийлазер может быть рассмотрен как динамическая система, число степеней свободыкоторой определяется числом экспериментально контролируемых параметров ккоторым, например, можно отнести ток накачки и температуру окружающейсреды.Числостепенейсвободыможетбытьувеличенопосредствомиспользования инжекции или обратной связи.

Необходимо отметить, чтовременные масштабы здесь таковы, что позволяют относительно легко отличатьразличные динамические состояния от переходных процессов.Целью данной главы является дать краткий обзор последних достижений вобласти исследования динамических режимов работы полупроводниковоголазера, представляющих наибольший интерес с точки зрения приложений. Далеебудет рассмотрена динамика лазеров с оптической инжекцией, динамика лазеровс наличием обратной связи и режим генерации возбужденных колебаний.1.3.1 Динамика лазеров с оптической инжекциейПод оптической инжекцией понимается ввод электромагнитного излучения,генерируемого управляющим лазером, в активную среду управляемого лазера.Принципиальная схема лазерной инжекции приведена на рисунке 2.Рисунок 2 – Принципиальная схема лазерной инжекции.

ML – управляющий лазер;SL –управляемый лазер.При этом могут наблюдаться как синхронизация по частоте и фазеизлучения управляемого лазера с излучением управляющего, так и сложныйдинамический отклик на инжектируемый сигнал. Необходимо отметить, что вслучае, если излучение управляемого лазера является многомодовым, приизменении параметров системы может наблюдаться поочередный захватразличных мод указанного лазера [33].Здесьважноотметить,18что влазерах,неотносящихсякполупроводниковым, синхронизация по фазе имеет место при выполнении двухусловий.

Во-первых, необходимо чтобы разница в частотах свободной генерацииуправляющегоиуправляемоголазеров,называемаярасстройкой,быламинимальна. Во-вторых, мощность инжектируемого сигнала должна бытьдостаточно большой.Заметим, что для решения задачи синхронизации связанных лазеров помимопрямойинжекцииизлученияодночастотногоуправляющеголазеравуправляемый может быть использована конфигурация взаимной инжекции[34,35].Полупроводниковые лазеры, работающие в режиме синхронизации синжектируемымсигналом,обладаютрядомсерьезныхпреимуществпоотношению к обычным лазерам к числу наиболее важных из которых можноотнести снижение шумовой компоненты, сужение линии излучения, повышениестабильности частоты [25, 36, 37].

В случае если управляемый лазер несинхронизирован с инжектируемым сигналом от управляющего лазера, егоповедение как динамической системы становится чрезвычайно сложным.Наблюдаются различные динамические нестабильности и хаос [37-39].Влияние оптической инжекции на динамику полупроводникового лазераинтенсивно исследуется при помощи различных моделей на основе балансныхуравнений. Указанные модели, как правило, включают в себя описаниевзаимодействиямеждуэлектромагнитнымиполямиуправляющегоиуправляемого лазеров, а также отражают влияние инжекции на плотностьносителей в активной среде управляемого лазера.К основным параметрам, определяющим лазерную динамику при инжекции,относятся ток накачки, величина расстройки и мощность инжекции.

Характеристики

Список файлов диссертации